Elektrorad

Ein Elektrorad (in Schweizerdeutsch: "Elektrovelo"), auch Elektrofahrrad, E-Fahrrad, E-Rad, E-Bike oder eBike genannt, ist ein Fahrrad, das zur Gänze oder tretunterstützend von einem Elektromotor angetrieben wird. Der Motor kann wahlweise im Vorderrad oder im Hinterrad als Nabenmotor oder im Tretlager als sogenannter Mittelmotor angebracht sein. Die Versorgung des Elektromotors mit Energie erfolgt durch einen – oft abnehmbaren – Akku. Als Pedelec wird ein solches Elektrorad dann bezeichnet, wenn dessen elektrische Fahrunterstützung nur durch Pedalieren abgefordert werden kann. Ein mehrspuriges (vierrädriges) Elektrofahrzeug wird auch als Leichtelektromobil bezeichnet.

Geschichte

Vorgänger des Elektrorads waren dreirädrige Elektrofahrzeuge, wie das von Gustave Trouvé in Paris im Jahr 1881 gebaute Trouvé Tricycle und das wenig später gebaute Ayrton & Perry Electric Tricycle. Erste Versuche mit einspurigen Elektrorädern gab es bereits um 1880, die Akkutechnik war allerdings noch nicht ausgereift genug, um sinnvolle Konstruktionen zu ermöglichen.

1881 Trouvé Tricycle, Paris

Aktuelle Situation

Die Elektroräder haben sich zur erfolgreichsten Elektrofahrzeuggattung entwickelt. Im Unterschied zu Deutschland ist das strombetriebene Rad in China längst kein Geheimtipp mehr: Über 20 Millionen Exemplare werden dort jedes Jahr verkauft, mehr als 120 Millionen Fahrzeuge sind schon unterwegs.

Elektrorad aus den Niederlanden

Gocycle aus Großbritannien

Elektrorad als Faltrad, 2006

Bedien- und Anzeigeinstrumente

Akku in Spezialtasche

Unterscheidungen

Bisher hat sich im deutschsprachigen Raum noch keine einheitliche Begriffsstruktur etabliert. Je nach Art der Motorunterstützung, der Antriebsleistung sowie der Bauartgeschwindigkeit werden die verschiedenen Begriffe unterschiedlich und überschneidend verwendet. Aus den vorgenannten Kriterien ergeben sich nicht nur in den Ländern der Europäischen Union und der Schweiz verkehrsrechtliche Folgen unterschiedlicher Art, wie führerscheinrechtliche Fragen, mögliche Helmtragepflichten, Fahrrad- oder kraftfahrrechtliche Regelungen, sowie Versicherungspflichten.

Für Fahrräder mit Tretunterstützung hat sich vor allem auf dem deutschen und österreichischen Markt der Begriff Pedelec für den Hybridantrieb Mensch-Elektromotor etabliert:

• Elektrofahrräder mit limitierter Tretunterstützung, meist nur als Pedelec, manchmal auch als normale oder langsame Pedelec bezeichnet;
• Elektrofahrräder mit unlimitierter Tretunterstützung, meist als schnelle Pedelec oder S-Pedelec bezeichnet.

In unterschiedlichem Definitionsgebrauch kommen für Elektro(fahr)räder mit autonom arbeitendem Elektroantrieb (ohne Tretleistung) zur Anwendung:

• Elektro(fahr)räder mit tretunabhängigem Zusatzantrieb (E-Bike);
• Elektro(fahr)räder ohne Tretantrieb (zuweilen den E-Rollern oder E-Scootern zugezählt und deshalb teilweise auch als E-Roller oder E-Scooter bezeichnet).

Elektrofahrräder mit Tretunterstützung

→ Hauptartikel: Pedelec

Ein Fahrrad mit limitierter Tretunterstützung hat die Eigenschaft, dass der Elektromotor nur bei Kurbelbewegung wirkt. Er unterstützt also nur das Treten. Diese Pedelecs sind als Fahrzeuge von der EU-Kraftfahrzeugrichtlinie dann ausgenommen, wenn sie auf eine mittlere Leistung des Motors von 250 Watt limitiert sind und die Unterstützung des Motors ab 25 km/h abregelt. Dann unterliegen sie in den EU-Ländern weder einer Helm-, noch einer Versicherungs- und Führerscheinpflicht und benötigen keine Betriebsgenehmigung.

Abgesehen von der höheren Geschwindigkeit unterscheiden sich die Fahrräder mit limitierter (Pedelec) und unlimitierter Tretunterstützung (schnelle Pedelec / S-Pedelec) in der Handhabung und im Fahrverhalten nur wenig. Der Unterschied besteht jedoch in der gesetzlichen Handhabung.

Elektro(fahr)räder ohne Tretunterstützung

Hier handelt es sich um Elektrofahrräder / Elektroräder, deren Antriebsmotor das Fahrzeug autonom, also ohne Pedalieren, in Bewegung setzt. Abgesehen von den rechtlichen Einordnungen können sie (meist) mit Fahrradpedalen oder ohne (z. B. in Österreich möglich) ausgestattet sein.

Überschreiten die Fahrzeuge die länderspezifischen gesetzlichen Grenzen, beispielsweise durch höhere Motorleistungen, End- oder Bauartgeschwindigkeit, werden sie als Kleinkraftrad, Leichtkraftrad oder Motorrad eingestuft.

eRockit aus Deutschland

Ein Sonderfall ist das eRockit, das mit einer Motorleistung von 9 kW eine Endgeschwindigkeit von 81 km/h erreichen kann. Zwar gibt der Elektromotor wie beim Pedelec nur beim Pedalieren Leistung ab. Das Treten dient dabei jedoch weniger der Vorwärtsbewegung, sondern vielmehr der Motorsteuerung.

Rechtliche Situation

Deutschland

Pedelecs sind Fahrräder im Sinne der deutschen StVO wenn die Motorkraftunterstützung bis zu einer Geschwindigkeit von 25 km/h wirkt. Eine Ausnahme bilden nach dieser Definition Fabrikate, die über eine sogenannte Anfahrhilfe verfügen: obwohl sie während des laufenden Betriebs tretabhängig funktionieren, kann man damit unmittelbar aus dem Stand mit einer bloßen Drehung des Gasgriffs auf bis zu ca. 6 km/h beschleunigen, was jedoch für nach dem 1. April 1965 Geborene eine Mofa-Prüfbescheinigung vorschreibt.

Schnelle Pedelecs (S-Pedelecs) sind hingegen versicherungspflichtig und es wird ein Mofa-Führerschein, aber kein Helm benötigt. Fahrradwege dürfen mit diesen Fahrzeugen nur genutzt werden, wenn die Wege auch für Mofas freigegeben sind (durch Zusatzzeichen „Mofas frei“ und stets außerorts). Fahrräder mit unlimitierter Tretunterstützung sind im engeren gesetzlichen Sinne des Begriffes Kleinkrafträder mit geringer Leistung.

Fahrräder mit unabhängigem Antrieb (E-Bike im weiteren Sinne) und meist Beschleunigung per Handgriff fallen in Deutschland bis 45 km/h unter den gesetzlichen Begriff des Kleinkraftrades. Erreichen sie jedoch mit einem auf 500 W Leistung begrenzten Motor eine Höchstgeschwindigkeit von maximal 20 km/h, gelten sie im Sinne der deutschen StVZO als Leichtmofa und bedingen bis zu dieser Geschwindigkeit weder einen Motorrad- noch einen Fahrradhelm. Eine Betriebserlaubnis und ein Versicherungskennzeichen sind jedoch erforderlich.

Österreich

In Österreich gilt jedes elektrisch angetriebene Fahrrad (Elektrofahrrad, Elektrorad), soweit es aus eigener Kraft eine maximale Geschwindigkeit von 25 km/h erreicht und von einem Motor mit max. 600 W angetrieben wird, uneingeschränkt als Fahrrad, das damit auch den Ausrüstungsbestimmungen der Fahrradverordnung unterliegt. Dabei kann es sich um Elektrofahrräder mit oder ohne Tretunterstützung handeln, ebenfalls fallen unter den Rechtsbegriff Fahrrad aber auch Elektroräder ohne (Fahrrad-)Pedale.

Elektro(fahr)räder, deren Leistungsmerkmale die zuvor genannten überschreiten, sind in Österreich - so sie nicht den Anforderungen für Kraftfahrzeuge entsprechen - weder zulassungs- noch versicherungsfähig. Sie können nach derzeitiger Rechtslage auch nicht als Motorfahrrad (Kleinkraftrad) zugelassen bzw. versichert werden. Der Betrieb ist daher auf Straßen mit öffentlichem Verkehr nicht zulässig, weder auf Radfahranlagen noch auf der Fahrbahn. Das gilt daher auch für die sogenannten „schnellen“ Pedelecs (S-Pedelec), die eine Tretunterstützung bis zu 45 km/h liefern.

Wie mit normalen (nur muskelbetriebenen) Fahrrädern gelten beim Lenken eines solchen die einschlägigen StVO-Bestimmungen, unter anderem die Radwegbenützungspflicht mit einspurigen Fahrrädern.

Schweiz

In der Schweiz gelten Elektro(fahr)räder jeder Art gemäß Art. 18 VTS als Motorfahrräder. Fahrräder hingegen sind Fahrzeuge mit wenigstens zwei Rädern, die ausschließlich durch Muskelkraft der darauf sitzenden Personen angetrieben werden (Art. 24 Abs. 2 VTS). (Nur) Elektrofahrräder mit limitierter Tretunterstützung bis maximal 25 km/h und einer maximalen Nennleistung von 250 Watt (die normalen bzw. langsamen Pedelecs) gelten als Leicht-Motofahrräder.

Neben der Motorleistung von 250, 500 und 1000 Watt als Grenzwerte, ist die bauartbedingte Höchstgeschwindigkeit, wenn ein rein elektrischer Betrieb ohne Pedalieren möglich ist, ein weiteres wesentliches Unterscheidungsmerkmal. Deshalb unterliegen Pedelecs mit Tretunterstützung, deren Motorleistung nur beim Pedalieren abgerufen werden kann, keinen weiteren Einschränkungen, es gibt keine Differenzierung zwischen normalen und schnellen Pedelecs. Eine Helmtragepflicht besteht nur bei einer bauartbedingten Höchstgeschwindigekeit von mehr als 30 km/h (in der Praxis liegt die Grenze jedoch bei 20 km/h).

Das Mindestalter zum Betrieb aller Elektro(fahr)räder liegt bei 14 Jahren. Radwege und Radstreifen müssen benutzt werden (mit einer maximalen Nennleistung des Elektromotors jedoch nur mit einspurigen Fahrzeugen). Eine Durchfahrt bei "Verbot für Motorfahrräder" ist mit abgeschaltetem Motor zulässig. Bis Ende 2011 mussten auch Elektrofahrräder, wie jedes Fahrrad bis dahin, haftpflichtversichert werden, kenntlich gemacht durch die am Fahrrad angebrachte Velovignette.

Fahrzeuge bis maximal 45 km/h werden zumeist als E-Scooter oder Elektroroller der Kategorie F bezeichnet und wie ein Mofa per Handgriff beschleunigt. Pedale sind nicht vorhanden. Es werden Helm, Nummernschild, Führerausweis und Versicherung benötigt. Einige der vielen erhältlichen kleinen E-Scooter sind bei niedrigeren Geschwindigkeiten zugelassen, die meisten aber gar nicht, außer auf Privatgelände.

Eine tabellarische Zusammenfassung der komplizierten Schweizer Regeln zu Elektro(fahr)rädern hat die bfu – Beratungsstelle für Unfallverhütung in ihrem bfu-Faktenblatt Nr. 4 herausgegeben.

Elektroantrieb

→ Hauptartikel: Elektroantrieb (Fahrrad)

Der Elektroantrieb ist vom Prinzip der Komponenten mit Elektromotor (mit direktem oder indirektem Antrieb, siehe „Ansatzpunkte“ unten), Akkumulator und Elektronikmodul zur Motorsteuerung, bei allen Elektro(fahr)rädern gleich. Unterschiedlich ist die Steuerungstechnik, die das Leistungsverhalten des Motors, die – falls vorhanden – geschwindigkeitsabhängige Abregelung und, je nach Auslegung des Elektrorades, den tretunabhängigen (selbstfahrend) oder tretabhängigen Antrieb, wie er bei den sogenannten Pedelecs zum Einsatz kommt, regelt. Von der Art der Steuerung hängt ab, ob das jeweilige Elektrorad in dem Land, in dem es in Verkehr gebracht wird, als Fahrrad gilt oder unter die nationalen (gegebenenfalls vereinfachten) kraftfahr- bzw. verkehrsrechtlichen Bestimmungen fällt.

Ein vorhandenes Rad kann mit Hilfe von nachkaufbaren Bauteilen zum Elektro(fahr)rad aufgerüstet werden, was beim Endverbraucher oder in einer Fahrradwerkstatt geschieht. Manche Hersteller gehen so vor, indem sie das gleiche Grundmodell mit oder ohne zusätzlichem Elektroantrieb auf den Markt bringen. Der Nachteil dieses Konzepts ist, dass sich nicht alle Fahrradrahmen dafür eignen. Die in den Rahmen eingeleiteten Kräfte können zu Rahmenbrüchen führen. Daher ist der Rahmen der aktuell angebotenen aktuellen Elektro(fahr)räder in der Regel bereits konstruktiv auf den Elektroantrieb ausgelegt.

Nutzungen

Elektrofahrrad-Tankstelle in der Brautgasse am Ulmer Münster

Es gibt verschiedene Nutzungsbereiche mit unterschiedlichen Anforderungen:

• Professionelle Nutzung: Postdienste (Postzusteller), Polizei (in verkehrsberuhigten Bereichen), Firmenfuhrparks, Fahrt zur Arbeitsstelle (Pendler).
• Touristische Nutzung: Verleihstationen an Bahnhöfen und touristischen Knotenpunkten. In Ferien- oder Kurorten.
• Private Nutzung: Zum tagtäglichen Gebrauch im Umkreis der Wohnung, insbesondere für weniger trainierte und/oder ältere oder auch für leistungsgeminderte Personen oder allgemein in entsprechend hügeligen oder gegenwindreichen Gegenden.

Praxiserfahrungen

Elektrofahrräder erreichen – je nach Leistung des Motors, des fahrenden Menschen und der Zulassung – Geschwindigkeiten von 25 km/h oder 35 km/h und mehr. Es zeigt sich, dass durchschnittliche Menschen mit einem schnellen Elektrofahrrad ungefähr die Fahrleistungen von unmotorisierten Fahrrad-Athleten erreichen, aber mit den üblichen Akkus (ohne Tausch) weniger weit kommen. Die Durchschnittsgeschwindigkeiten von schnellen Elektrofahrrädern liegen meistens zwischen 25 bis 30 km/h, was sie auf kürzeren Strecken innerorts zu den durchschnittlich schnellsten Fahrzeugen überhaupt macht.

Die zögerliche Akzeptanz für Elektrofahrräder resultiert vor allem aus der Historie der Akku-Technologie. Gilt die Fahrradtechnik als ausgereift, so galt das lange Zeit nicht für die Akku-Technologie. Akkus mit geringer Reichweite, stark nachlassende Akkus, Memoryeffekt usw. behindern die Popularität im Niederpreissegment. Da vor allem europäische Hersteller lange die Zielgruppe der über 50-Jährigen im Blick hatten, wurden nur entsprechend designte Räder auf dem Markt platziert. Das führte zum heutigen „Oma-Rad“-Image der elektrisch unterstützten Räder.

Moderne Elektroräder haben heute Traktionsbatterien aus NiMH-Akkumulatoren, Lithium-Polymer-Akkus oder Lithium-Eisen-Phosphat(LiFePO4)-Akkumulatoren, die sich im Einsatz bewähren (große Reichweite und Lebensdauer, kein Memoryeffekt). Insbesondere die seit ca. 2006 verfügbaren LiFePO4-Akkumulatoren zeigen eine höhere Leistungsdichte und Betriebssicherheit sowie kürzere Ladezyklen bei Verwendung leistungsstarker Ladegeräte. Preislich liegen diese im Bereich anderer Lithium-Ionen-Akkumulatoren

Ein Akku muss auf die kurzzeitige maximale Stromaufnahme des Motors ausgelegt sein. Das wird bei modernen Akkumulatoren in NiMh-Technik und bei LiFeP04-Akkus aber grundsätzlich sichergestellt. Bei älteren Bleiakkus war es nur dann gegeben, wenn man spezielle hochstromfähige Fahrakkus verwendet hat. In der Vergangenheit hielten zahlreiche E-Bike-Batterien die hohe Strombelastbarkeit auf Dauer nicht aus, weil die verwendeten Zellen nicht hochstromfest waren, was insbesondere dann zur Überlastung führte, wenn Elektroräder häufig an Steigungen gefahren wurden.

Elektroräder haben eine durch die Kapazität des Akkus eingeschränkte Reichweite. Diese wird umso kürzer, je steiler das Streckenprofil ist und je schneller gefahren wird. Der Elektroantrieb ist insbesondere bei Pedelecs als „Rückenwind“ konzipiert, nicht als ausschließlicher Antrieb. Es kann nicht wie bei einem benzinbetriebenen Fahrzeug innerhalb von wenigen Minuten wieder „vollgetankt“ werden, ein Akkuladezyklus dauert je nach Modell mehrere Stunden. Im Gegensatz zu Motorrädern mit Verbrennungsmotor beschleunigen Elektroräder jedoch lautlos und tragen lokal nicht zur Ozon- und Smogbildung bei.

Durch eine Rekuperation der Bremsenergie kann im Stadtverkehr die Reichweite deutlich erhöht werden. In unabhängigen Tests wurde die Reichweite um 11 % vergrößert. In Zukunft sind durch Weiterentwicklung der Controller oder den Einsatz von rückspeisefähigen Umrichtern höhere Werte möglich.

Situation in Asien

In den letzten Jahren haben in China, in westlichen Ländern bisher weitestgehend unbemerkt, E-Bikes den Individualverkehr revolutioniert. Waren vor wenigen Jahren noch Fahrräder dominant im Straßenbild chinesischer Großstädte, sind inzwischen viele Millionen E-Bikes hinzugekommen. Getrieben durch die Gesetzgebung, d.h. Zulassungsverbot für Krafträder mit Verbrennungsmotor in vielen Großstädten, ist eine Industrie mit einem Produktionsvolumen von schätzungsweise 20 Mio. E-Bikes pro Jahr entstanden. Eine Vielzahl lokaler Anbieter überschwemmen den Markt und führen einen heftigen Preiskampf. Die Preise liegen mit 200 bis 300 Euro pro Bike nur knapp über dem Materialwert. Das typische chinesische E-Bike ist im Erscheinungsbild eher einem Motorroller wie z.B. einer Vespa denn einem Fahrrad nachempfunden. Die Geschwindigkeit ist auf 25 km/h limitiert, ein Pedalantrieb ist in der Regel nur zum Notbetrieb oder als Steigungshilfe vorgesehen. Energiespeicher sind in der Mehrzahl der Fälle Bleiakkus, Li-Ionen-Batterien kommen nur in wenigen hochpreisigen Modellen zum Einsatz.

Eine ähnlich explosionsartige Entwicklung ist in anderen bevölkerungsreichen asiatischen Ländern wie Indien oder Indonesien nicht zu beobachten. Dort dominieren benzingetriebene Kleinkrafträder, da keine Zulassungsbeschränkungen existieren.

Systembedingte Probleme

Der Akkumulator ist nach einer bestimmten Anzahl von Ladezyklen erschöpft, bzw. die Reichweite vermindert sich unter ein gefordertes Maß. Die Zyklenzahl ist von der Chemie des Akkus und der Qualität der verwendeten Steuerungs- und Ladelektronik abhängig. Bei NiCd-Akku rechnet man mit 1000 Zyklen, bei NiMh mit 700 und bei LiIon mit 500 Zyklen. Beim Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulator sind bei guter Auslegung von Akku und Elektronik auch Zyklenzahlen von mehr als 1000 möglich. Danach muss er ersetzt bzw. recycelt werden.

Fortgeschrittene Batteriemanagementkonzepte mit Konditionierung einzelner Zellen im Betrieb erhöhen die Lebensdauer, diese sind insbesondere bei hochwertigen Lithium-basierten Akkus zu finden. Durch Rekuperation der Bremsenergie kann im Stadtverkehr die Reichweite zumindest um 15 % vergrößert werden. Zu bedenken ist aber, dass die zugehörigen E-Motoren keinen Freilauf haben können und bei Betrieb ohne Akku, z.B. wenn dieser erschöpft ist, der Motor wie ein üblicher Dynamo immer kraftzehrend mitbewegt werden muss, auch wenn die Energierückgewinnung ausgeschaltet ist.

Organisationsstrukturen

1994 wurde in Deutschland ein gemeinnütziger Verein namens ExtraEnergy e.V. gegründet, in dem sich technikinteressierte sogenannte „Powerbiker“ zusammengeschlossen haben. Der Verein gibt eine Zeitschrift mit regelmäßigen Testberichten und weltweiten Nachrichten zu diesem Themenfeld heraus. Die Webseite ist mehrsprachig (englisch/deutsch/französisch/chinesisch/koreanisch).

Literatur

• Hannes Neupert: Das Powerbike. Moby Dick Verlag, Kiel 2000, 165 Seiten, ISBN 3-89595-123-4.
• Niels A. Fries: Das große Handbuch für Solar- und Elektrofahrräder: Batterie, Eigenbau, Betrieb, Tipps & Tricks, Antrieb, Technik. [N. A. Fries], [Neuss] 2006, 84 Seiten, ISBN 3-00-015258-X.
• Christian Smolik, Michael Bollschweiler, Verena Ziese: Das Elektrorad: Typen, Technik, Trends. BVA Bielefelder Verlag, Bielefeld 2010, ISBN 978-3-87073-435-0.
• Teja Müller, Eberhard Müller: E-Bike-Technik: Funktion und Physik der Elektrofahrräder. Books on Demand GmbH, Norderstedt 2011, ISBN 978-3-8423-6194-2.

Siehe auch

Elektrofahrzeug | Elmoto | Eurobike | Hybridantrieb | IFMA | Schubanhänger | Solarfahrzeug | Velomobil |

Weblinks

•  Commons: Electrically-powered bicycles – Sammlung von Bildern
•  Wiktionary: Elektrofahrrad – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
•  Wiktionary: Elektrorad – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
• www.extraenergy.org, gemeinnütziger Verein zur Verbreitung muskel-elektrischer Fahrzeuge
• Besser E-Radkaufen, Kaufberatung des Verkehrsclubs Deutschland
• eBikeFINDER, Marktübersicht von über 1.500 Modellen in Deutschland
• ebike-base Große Marktübersicht und Einkaufsführer für Pedelecs und E-Bikes mit rund 1700 aktuellen Modellen in Deutschland, Österreich und der Schweiz.
• Reichweitenkalkulator zur Berechnung des topografieabhängigen Stromverbrauchs (englisch)
• Elektroräder für Alltag und Freizeit, Hörerinformation von WDR5 mit vielen Tipps (PDF-Datei; 115 kB)
• Aufsatz: Elektrofahrräder von RA Alexander Jaeger (PDF-Datei; 4,25 MB)
• E-Bike News