Wie nutzen verschiedene Fahrzeuge regenerative Bremsen?
Artwork: Wie viel Energie sparen regenerative Bremsen ein? Das kommt auf das Fahrzeug an. Große und schwere Fahrzeuge, die sich schnell bewegen (z. B. elektrische Züge), bauen viel kinetische Energie auf, so dass sie die größten Einsparungen erzielen. Obwohl sie weniger wiegen und langsamer fahren, können Lieferwagen, die häufig anhalten und anfahren, ebenfalls große Einsparungen erzielen. Bei Autos variieren die Einsparungen zwischen 8 und 15 Prozent (je nach Fahrzeug und je nachdem, ob es im Stadtverkehr oder auf der Autobahn fährt). Elektrofahrräder sind leicht und fahren recht langsam, so dass regenerative Bremsen wenig bewirken. Daten: Ich habe typische Mittelwerte aus verschiedenen Quellen für Züge (https://goo.gl/J3hZXL), Lastwagen (https://goo.gl/6DRvY5), Autos (https://goo.gl/UglXby) und Fahrräder (https://goo.gl/N0w7X3) verwendet – aber vielleicht finden Sie anderswo andere Werte.
Die verschiedenen Fahrzeuge nutzen die Bremsenergierückgewinnung auf unterschiedliche Weise.
Elektroautos und -züge
Bei Elektro- und Hybridautos wird durch die Bremsenergierückgewinnung die Hauptbatterie aufgeladen, wodurch die Reichweite des Fahrzeugs zwischen den Ladevorgängen effektiv verlängert wird. Elektrische Züge, die über Oberleitungen oder Gleise mit Strom versorgt werden, funktionieren auf eine etwas andere Weise. Anstatt die Bremsenergie in die Batterien zu leiten, geben sie sie an die Stromleitung zurück. Ein typischer moderner Elektrozug kann auf diese Weise etwa 15-20 % seiner Energie durch regenerative Bremsen einsparen. Einige Fahrzeuge verwenden Superkondensatorbänke zur Energiespeicherung anstelle von Batterien.
Elektrofahrräder
Die meisten Elektrofahrräder verfügen nicht über eine regenerative Bremse und haben nur einen geringen oder gar keinen Nutzen davon. Warum eigentlich? Ein Fahrrad ist ein Fahrzeug mit geringer Masse und niedriger Geschwindigkeit, so dass es beim Anhalten und Anfahren viel weniger kinetische Energie verschwendet als ein Auto oder ein Zug (ein Fahrzeug mit hoher Masse und hoher Geschwindigkeit). Die meisten Radfahrer nutzen die Energie sehr effizient, indem sie im Leerlauf oder im Freilauf bis zum Stillstand fahren, anstatt voll auf die Bremse zu treten, wann immer sie können. Wenn Sie nicht sehr oft anhalten und anfahren und mit relativ hohen Geschwindigkeiten fahren (z. B. als Zusteller), wird die Energieeinsparung durch regenerative Bremsen bei einem Elektrofahrrad minimal sein.
Foto: Elektrofahrräder haben in der Regel keine regenerativen Bremsen: Wenn man nicht viel anhält und anfährt, kann man nicht genug Energie einsparen, als dass es sich lohnen würde.
In der Tat können regenerative Bremsen bei Fahrrädern am Ende mehr Energie verbrauchen als sie einsparen. Um effektiv zu funktionieren, müssen bei Fahrzeugen mit regenerativen Bremssystemen die Elektromotoren (in der Regel Nabenmotoren bei Elektrofahrrädern) ständig eingeschaltet sein und entweder als Motor oder als Generator arbeiten.
Für ein Elektroauto ist das in Ordnung, aber bei einem Elektrofahrrad muss der Motor nur einen Teil der Zeit eingeschaltet sein: Einen Teil der Zeit kann man gemütlich dahinrollen.Wenn der Motor die ganze Zeit eingeschaltet ist, kann das Fahrrad insgesamt viel mehr Energie verbrauchen, so dass regenerative Bremsen am Ende mehr Energie verbrauchen, als sie einsparen!
Aufzüge
Man denkt vielleicht nicht an Aufzüge als Elektrofahrzeuge, aber sie sind es durchaus! Otis, ein führender Hersteller, stellte 2011 den ersten regenerativen Aufzug, ReGen™, vor und behauptet, dass er bis zu 75 Prozent der normalerweise verbrauchten Energie einspart. Während ein gewöhnlicher Aufzug die Bremsenergie als Wärme verschwendet, speist der ReGen sie in das Stromnetz des Gebäudes zurück.
Andere Arten von energiesparenden Bremsen
Schwungräder
Regenerative Bremsen mögen sehr hochtechnisch erscheinen, aber die Idee, „Energiesparreserven“ in Maschinen zu haben, ist nicht neu. In Motoren werden Energiespeicher, so genannte Schwungräder, praktisch seit ihrer Erfindung eingesetzt.
Foto: Das Schwungrad aus schwerem Metall, das an diesem Motor befestigt ist, sorgt dafür, dass er mit gleichmäßiger Geschwindigkeit läuft. Man beachte, dass der größte Teil der Schwermetallmasse des Schwungrads um seinen Rand herum konzentriert ist. Das verleiht ihm ein hohes Trägheitsmoment: Es braucht viel Energie, um es schnell zu drehen und zu verlangsamen. Diese Maschine ist ein Exponat in der Motorenhalle des Wissenschaftsmuseums Think Tank in Birmingham, England.
Der Grundgedanke ist, dass der rotierende Teil des Motors ein Rad mit einem sehr schweren Metallrand umfasst, das die Maschine oder das Gerät antreibt, mit dem der Motor verbunden ist. Es dauert viel länger, einen Schwungradmotor in Gang zu bringen, aber wenn er erst einmal auf Touren gekommen ist, speichert das Schwungrad eine enorme Menge an Rotationsenergie. Ein schweres, sich drehendes Schwungrad ist ein bisschen wie ein Lastwagen, der mit hoher Geschwindigkeit fährt: Es hat einen enormen Schwung, so dass es viel Zeit braucht, um zu stoppen und seine Geschwindigkeit zu ändern, was sich wie ein Nachteil anhört, aber eigentlich sehr nützlich ist. Wenn ein Motor (z. B. ein zylinderbetriebener Dampfmotor) unregelmäßig Energie liefert, gleicht das Schwungrad dies aus, indem es zusätzliche Energie aufnimmt und vorübergehende Schwächephasen ausgleicht, so dass die Maschine oder Anlage, an die es angeschlossen ist, gleichmäßiger angetrieben wird.
Es ist leicht vorstellbar, wie ein Schwungrad zum regenerativen Bremsen verwendet werden könnte. In einem Bus oder Lkw könnte man ein schweres Schwungrad haben, das zu verschiedenen Zeiten in das Getriebe eingekuppelt oder ausgekuppelt werden kann, so dass es jedes Mal, wenn man bremsen will, einen Teil der kinetischen Energie aufnimmt und einen zum Stillstand bringt. Der größte Nachteil der Verwendung von Schwungrädern in fahrenden Fahrzeugen ist natürlich ihr zusätzliches Gewicht. Sie sparen Energie, indem sie Energie speichern, die sonst in Bremsen verschwendet würde, aber sie kosten auch Energie, weil man sie ständig mit sich herumtragen muss.
Moderne Getriebe, die Hightech-Schwungräder enthalten, werden jetzt als regenerative Systeme beispielsweise in Formel-1-Autos eingesetzt, wo sie üblicherweise als kinetische Energierückgewinnungssysteme (KERS) bezeichnet werden.
Foto: Ein von der NASA für Weltraumanwendungen entwickeltes magnetisches Schwungrad. Man beachte auch hier, wie der Großteil der Masse um die Felge konzentriert ist, um ein hohes Trägheitsmoment zu erreichen. Foto mit freundlicher Genehmigung des NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).
Hydraulische Flüssigkeiten und komprimiertes Gas
Andere Arten von regenerativen Systemen speichern Energie, indem sie bei jedem Bremsvorgang eines Fahrzeugs ein Gas komprimieren – ähnlich wie eine Gasfeder in einem Bürostuhl Energie speichert, wenn man sich darauf setzt. Die Energie kann freigesetzt und wiederverwendet werden, indem man das Gas ausdehnt (ähnlich wie ein Bürostuhl Energie freisetzt, wenn man ihn bei entriegeltem Hebel entlastet). Andere Systeme (z. B. der Hydraulic Power Assist oder HPA von Ford) speichern die Bremsenergie, indem sie Hydraulikflüssigkeit in einen Behälter pumpen.
Wer hat die regenerativen Bremsen erfunden?
Nun mag es unglaublich modern klingen, dass Elektroautos und Züge regenerative Bremsen haben, aber ein wenig Recherche beweist das Gegenteil. Das älteste US-Patent für einen elektrischen Zug mit Rückspeisung, das ich finden konnte, ist das US-Patent 714,196: Regeneratives System von Martin Kubierschky aus Berlin, Deutschland, wurde 1902 erteilt und zielte darauf ab, sehr optimistische 40 Prozent des üblichen Stromverbrauchs einzusparen.Es mag durchaus frühere Versionen gegeben haben, aber nicht so viele: Die regenerative Technologie scheint aus der Zeit um die Wende zum 20. Die erste regenerative Bremse für ein Auto wurde vermutlich von dem Franzosen M.A. Darracq entwickelt und 1897 auf dem Salon du Cycle in Paris vorgeführt.Genau wie ein modernes regeneratives System speiste es die Bremsenergie in die Batterie zurück, um die Reichweite des Autos zu verlängern (die nur 48 km betrug), behauptete aber eine sehr überraschende Energieeinsparung von 30 % (etwa dreimal so viel wie das moderne Äquivalent).
Was ist der Sinn?
Wie auch immer sie funktionieren, eines haben alle regenerativen Bremssysteme gemeinsam – sie helfen uns, Energie sinnvoller zu nutzen. In a world where fuel is becoming ever morecostly, and environmental concerns are mountingby the day, that can only be a good thing!
