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Nabendynamo Wirkungsgrad – Geschwindigkeit Ade?

Elektronik By: Michael Sinner 15 Jan, 2021 0

Nabendynamos wurden in einem erstaunlichen Tüfftler-Projekt wieder zum Leben erweckt, nachdem man seit vielen Jahrzehnten nicht mehr viel davon gehört hatte. Wilfried Schmidt, Gründer von SON (Schmidts Original Nabendymos) – der Marke unter der auch heute noch die Stromspender vertrieben werden, ist das Mastermind hinter dieser Entwicklung. Angefangen hat alles mit der LED nach der Jahrtausendwende, und danach kamen die Nabendynamos wieder auf den Plan. Sie sind so genial, weil sie keine Reibung erzeugen, damit völlig Wartungsarm arbeiten und mit einem hohen Wirkungsgrad elektrischen Strom erzeugen. Doch wie stark bremst ein Nabendynamo mich eigentlich aus? Ist das spürbar?

In diesem kleinen Beitrag zeige ich verschieden Wirkungsgrade von Nabendynamos verschiedener Hersteller. Und wie viele Meter pro Stunde man in Theorie verliert, wenn man einen Nabendynamo nutzt.

Wie funktioniert der Nabendynamo?

Viele Leute fragen sich, was ein Nabendynamo überhaupt ist. Der altmodische Seitendynamo tut’s ja auch, mehr oder weniger. Und man sieht ihn immer noch häufig an den Straßenrädern. Schließlich sind Fahrräder Konstrukte, die Jahrzehnte überdauern. Die meisten Räder auf der Straße sind Gebrauchträder – wenn nicht sogar Erbstücke. 

Der Umstieg zum Nabendynamo macht sich aber allemal bezahlt. Die neuere Technologie bringt geringeren Energieaufwand und höhere Spannungsleistungen mit sich.

Tools wie das Busch&Müller E-WERK erlauben es am Nabendynamo direkt USB-Geräte anzuschließen. Am besten nutzt man aber eine Powerbank als Puffer, um Abbrüche in der Versorgung abzumildern und teure Hardware zu schonen.

Dynamo Hub – eigentlich eher Dynamonabe

Der Begriff “Nabendynamo” ist irreführend. Es handelt sich weniger um einen Dynamo, der in einer Nabe befestigt wird. Im Englischen bezeichnet man ihn als “Dynamo Hub” – übersetzt “Dynamonabe”. Das ergibt mehr Sinn, da es sich immer um eine ganze Nabe handelt, die die Dynamo-Funktion erfüllt. Das heißt, man ersetzt die gewöhnliche Nabe eines Laufrads mit dem Nabendynamo.

Was passiert im Nabendynamo?

Wenn man nach dieser Frage googlet, bekommt man gemeinhin Erklärungen von Permanentmagneten und Statorspulen, lauter Fachterminus. Einfach ausgedrückt: Im Nabengehäuse des Nabendynamos sitzen mehrere Magnete. In der Mitte der Nabe sitzt eine Spule, meistens aus Kupferdraht oder Aluminium, die fest verankert ist und sich beim Fahren nicht dreht. Beim Fahren dreht sich also das Gehäuse mit den Magneten um diese Spule. Dadurch entsteht ein rotierendes Magnetfeld, in dem eine ständig wechselnde Magnetkraft auf die Spule einwirkt. Dabei entsteht eine Wechselspannung auf der Spule, die stärker wird, je schneller sich das Rad dreht. So erhält man elektrischen Strom.

Ferner kommt es zu einem Leerlaufverlust. Das heißt, selbst wenn das Licht nicht eingeschaltet ist, verliert man durch den Nabendynamo ein wenig Leistung. Das liegt daran, dass eben ein Magnetfeld in der Nabe entsteht, auch wenn die Spannung nicht genutzt wird. Dieses Magnetfeld hält sich selber ständig aufrecht und wirkt damit minimal dem Drehmoment entgegen. Das ist vergleichbar mit einem Reibungsverlust – doch wie hoch ist dieser Leerlaufverlust?

Dank Nabendynamo kann ich mir für lange Touren ein ganzes Cockpit aufbauen, aus Computer, Powerbank und Smartphone. Die alle ihren Akku während der Fahrt laden können.

Widerstandsverluste und Wirkungsgrad

Natürlich kommt der elektrische Strom nicht von irgendwoher. Sondern wird aus der Kraft gewonnen, welche ihr auf die Pedale und das rotierende Vorderrad wirkt. Man kann drei Abstufungen bei diesem Energie-“Verlust” zeigen:

  1. Dynamo mechanisch abgeschaltet:
    Es wird kein Strom erzeugt und die Nabe dreht sich innen wie außen, ohne den Widerstand im inneren zu überwinden. Ihr habt jetzt nur Wirkungsverluste, welche bei jeder Nabe anfallen würden. Die meisten Nabendynamos können nicht mechanisch abgeschaltet werden.
    Energie
  2. Dynamo mechanisch eingeschaltet aber ohne Verbraucher:
    Meist kann man an den Lichtern, die am Dynamo angeschlossen sind, einen Aus-Schalter betätigen. Um keinen Strom zu ziehen. Alternativ könnte man auch den Stecker einfach ziehen. Im Ergebnis bewegt sich die Mechanik im Inneren der Nabe, aber es gibt einen geringeren Verlust als mit Verbrauchern. Nicht alle Lichter haben einen Ein-/Aus-Schalter, aber Stecker ziehen geht immer.
  3. Dynamo aktiv mit Verbrauchern:
    Jetzt zieht ihr Strom, die Mechanik rotiert im Inneren auch wie erwartet. Nun zieht der Dynamo die meiste Energie aus eurem Vortrieb, ihr werdet minimal langsamer.

Wie stark fallen diese drei Effekte auf? Oder besser gesagt: wie viel Meter Vortrieb verliere ich auf eine Stunde Fahrtzeit?

Die Testergebnisse im Vergleich verschiedener Nabendynamos findet ihr im Hauptbeitrag:

Verluste und Gewinne

Das Licht ist ein echter Sicherheitsgewinn. Aber das kommt eben zu Kosten eures Vortriebs, da ein paar eurer erzeugten Watt bzw. kJ nicht darauf eingezahlt haben sondern zu Licht wurden. Hier eine genaue Aufstellung.

Den Wirkungsgraden aus dem Nabendynamo-Beitrag, welche wiederum aus einem Test von fahrradzukunft.de entnommen sind, kann man für gängige Dynamos (zB. SONdelux, ShutterPrecision-SV8, etc.) etwa einen Wirkungsgrad von 50-60% zusprechen. Nehmen wir also der Einfachheit an es wären genau 55%.

Bei 20km/h wandeln wir 5,5 Watt aus dem Vortrieb in Strom. Davon wiederum landen, bei 55% Wirkungsgrad, etwa 3 Watt beim Licht, oder einer per USB Ladekabel betriebenen Powerbank.

Nach etwa 5 Stunden mit dieser Durchschnittsgeschwindigkeit haben wir 5h*5,5W Energie umgewandelt. Also etwa ein Vortriebsverlust von 27,5 Wattstunden. Eine Wattstunde entspricht 3,6 Kilojoule, wir haben also einen Energieaufwand für diese Fahrt von 99kJ (für das Licht). Setzen wir das Mal ins richtige Verhältnis…

Direktvergleich – Mit und ohne Dynamo

Die durchschnittliche Arbeit um diese Arbeit (5 Stunden Radfahren und 100km) liegt in einem relativ großenzügig zu schätzenden Bereich. Ein aerodynamischer und leichter Rennradfahrer wird weniger Arbeit verrichten müssen. Aber nehmen wir mal folgende Schätzung für einen “durchschnittlichen” Fahrer (m):

  • 85kg Fahrergewicht
  • 15kg Fahrradgewicht
  • 20km/h
  • Normale (aufrechte) Fahrposition, ohne Gegenwind

Die benötigte Kraft um diese Leistung (20km/h) mit diesem Profil zu halten liegt etwa bei 90Watt. Nach 5 Stunden hat dieser 450Wh Arbeit verrichtet, bzw. 1.620kJ.

Fahren zwei gleiche Fahrer (von diesem Profil) los, dann erreicht der Fahrer ohne Nabendynamo das Ziel (100km) in exakt 5 Stunden.

Der Fahrer mit mit Dynamo wird die gleiche Arbeit verrichten (1.620kJ), aber davon 99kJ in den Dynamo “stecken”. Damit kommt man auf knapp 3km Unterschied in 5 Stunden! Das ist wirklich nicht viel, diese Strecke hat der Fahrer mit Nabendynamo in 9 Minuten wieder aufgeholt.

Im Verhältnis sind die 99kJ für das Licht etwa ein Verlust von 6% der Energie!

Man muss beachten, dass der Windwiderstand im Quadrat zur Geschwindigkeit berechnet wird. Wodurch man nicht Pauschal 6% der Gesamtzeit umrechnen darf auf den langsameren Fahrer, die verlorene Wattzahl (5,5W durch den Dynamo) senkt die Geschwindigkeit nur um etwa 3%.

Diese Zahlen könnt ihr in folgendem Rechner gut nachvollziehen: http://bikecalculator.com/

Fazit

Dynamo-Naben sind eine geniale Erfindung. Gemeinsam mit LED-Lichtern haben sie den Weg für moderne Räder geebnet, und haben sogar Einzug in die StVO gefunden. Da mit dieser Entwicklung auch die Gesetze in den letzten 15 Jahren aktualisiert wurden.

Der Verlust an Energie ist auf eine lange Tagestour zwar berechenbar und vielleicht sogar spürbar. Sollte aber für die meisten von uns eher irrelevant sein.

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