De mogelijke toepassingen van pedaalkracht gaan die van de fiets als transportmiddel ver te boven. Tijdens de jaren 1970 werd er veel onderzoek verricht naar energiefietsen die op een mechanische manier een groot aantal industriële machines, huishoudtoestellen en landbouwwerktuigen konden aandrijven.
Als dat onderzoek zou worden verdergezet, aangevuld met de kennis en materialen van vandaag, kan de stationaire fietsmachine een belangrijke rol spelen bij het uitbouwen van een duurzame energieproductie.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
Elektriciteit opwekken met een stationaire fiets is niet altijd een goed idee, omdat de energieverliezen kunnen oplopen tot 70 procent en meer. Daarbij komt dat de productie van de batterij zoveel energie kost dat het ecologische voordeel volledig wordt uitgewist. (Zie het vorige artikel: "Hoe milieuvriendelijk is de energiefiets?"). Veel beter is het om helemaal geen elektriciteit te produceren en apparaten mechanisch aan te drijven.
Dat is onmogelijk in het geval van moderne elektronische toestellen zoals laptops en mobiele telefoons, maar veel andere machines zouden in principe mechanisch in plaats van elektrisch van energie kunnen worden voorzien: gereedschappen, keukenmachines, landbouwmachines, voedselverwerkende machines en industriële machines.
Er is momenteel slechts één stationaire fiets te koop die geen elektriciteit maar directe mechanische energie levert: de Fender Blender, een pedaalaangedreven mixer (foto hierboven).
Stationaire fietsen met mechanische aandrijving worden sinds een jaar of tien wel steeds vaker gebouwd door doe-het-zelvers in de westerse wereld en door niet-gouvernementele organisaties in ontwikkelingslanden. In Guatemala heeft Mayapedal sinds 2001 al meer dan 2.000 energiefietsen in elkaar geknutseld, opgebouwd uit oude fietsonderdelen en andere hergebruikte materialen (zie foto hieronder). De kostprijs bedraagt zo'n 40 tot 250 dollar, veel goedkoper dan de Fender Blender (die 1.700 dollar kost). Het gaat onder meer om pedaalaangedreven waterpompen, slijpmachines, dorsmachines, tegelmakers, notenpellers, wasmachines en mixers.
De NGO's Malnutrition Matters, Chocosol en The Full Belly Project maken soortgelijke machines, meestal gericht op voedselbewerking, bedoeld voor arme landen in Afrika of Azië. Er wordt gebruik gemaakt van eenvoudige materialen en technieken, zodat de mensen de machines ook zelf kunnen leren bouwen en repareren.
Een paar voorbeelden van pedaalaangedreven machines gemaakt door westerse doe-het-zelvers zijn wasmachines (1/2/3), zeepmixers of appelpureerders (voor het maken van cider). Blue Ox Millworks gebruikt dan weer overlevende exemplaren van negentiende-eeuwse machines om ambachtelijke producten te maken.
Parkeerprobleem
Een belangrijk nadeel van het ontwerpen van een speciale stationaire fietsmachine voor elke mogelijke toepassing in het huishouden, op de boerderij of in de werkplaats, is dat je een heleboel plaats nodig hebt. Bovendien kunnen de kosten, de constructietijd en de energiekost hoog oplopen als je veel machines nodig hebt. Deze problemen stellen zich niet altijd, bijvoorbeeld bij het gebruik van pedaalkracht bij kleinschalige industriële toepassingen. De hierboven aangehaalde zeepmixer van Frederick Breeden is daarvan een goed voorbeeld. Om dezelfde reden kan een pedaalaangedreven mixer een prima investering zijn voor een kleine handelszaak, zoals een milkshakebar.
Maar van zodra er meerdere toestellen nodig zijn en plaats een beperkende factor is, zoals vaak het geval is, moet daar een oplossing voor worden gezocht. Eén mogelijkheid is het opwekken van elektriciteit die vervolgens kan worden gebruikt om verschillende elektrische apparaten aan te drijven. Maar aangezien dit erg inefficiënt is, moet dit scenario vermeden worden als de apparaten in principe ook zonder elektriciteit kunnen worden aangedreven.
Universele trapmachine
Een tweede oplossing is het ontwerp van een universele krachtbron waarop een hele waaier aan apparaten en gereedscahppen kan worden aangesloten. Deze methode, die zowel het efficiëntie- als ruimteprobleem oplost, werd uitvoerig verkend tijdens de jaren zeventig van de twintigste eeuw. Dat was nieuw, want universele machines op pedaalkracht bestonden niet aan het eind van de negentiende eeuw (ook al combineerden sommige toestellen een paar functies, zoals zagen en boren).
Tijdens de jaren zeventig werden op zijn minst vijf interessante concepten ontworpen en gebouwd: de "Energy Cycle" (door Dick Ott), de "Dynapod" (door Alex Weir), de "Human Powered Flywheel Motor" (door JP Modak), de "Pedal Power Unit" (door David Weightman) en de "Dual-Purpose Bicycle" (door Job Ebenezer). Al deze ontwerpen kunnen ook van nut zijn voor pedaalaangedreven machines die slechts één functie hebben.
De Dynapod
Na experimenten met pedaalaangedreven machines die gericht waren op het uitoefenen van één enkele functie, bouwde de Britse ingenieur Alex Weir begin jaren zeventig in Tanzania een universele Dynapod (de naam verwijst naar de Griekse woorden voor kracht en voet).
De krachtbron, gebaseerd op een concept uit 1968 ontwikkeld door Stuart Wilson van Oxford University, bestond zowel in een versie voor één persoon als een versie voor twee personen. De tandem verdubbelde niet alleen het vermogen, maar maakte het geleverde vermogen ook gelijkmatiger omdat het natuurlijke, ongelijke trapritme van beide operators werd geneutraliseerd (zie de uitleg over het nut van een vliegwiel, in het vorige artikel).
De Dynapod bestond uit een zelfgemaakt frame. Bij de eerste ontwerpen was dat gemaakt uit hout, later werd voor staal gekozen. Behalve de pedalen en kettingaandrijving had de machine niets gemeen met een fiets. Als vliegwiel gebruikte Weir een oud fietswiel gevuld met cement. De kost van de houten versie bedroeg 40 tot 100 dollar (in 1980), materiaal en werkuren inbegrepen. De Dynapod kon een grote diversiteit aan machines van energie voorzien: pompen, graanmolens, wanmolens, blaasbalgen, slijpmachines, boormachines, pottenbakkersschijven, verfspuiten, raspen, machines voor het schoonmaken van koffiebonen, graanpellers, dorsmachines, balenpersers, zaagmachines, bandenpompen en naaimachines. De Dynapod kon ook worden gebruikt voor het opwekken van elektriciteit.
Om de bediening van zo'n grote diversiteit aan apparaten mogelijk te maken, was de Dynapod uitgerust met verschillende aandrijvingen. De unit kon worden gebruikt met een directe aandrijving met een verhouding van 1:1 (als er een groot koppel nodig was aan een lage snelheid), een kettingaandrijving met een ratio van 3:1 (een compromis tussen koppel en snelheid voor onder meer het bedienen van slijpmachines en dorsmachines), of een riemaandrijving met een verhouding van 10:1 (voor het opwekken van elektriciteit, het gebruik van een wanmolen en andere toepassingen waarbij een hoge snelheid belangrijk was).
De Energy Cycle
Rodale Press, de uitgever van het in 1977 gepubliceerde boek "Pedal Power in Work, Leisure and Transportation" (nog steeds het beste boek over pedaalaangedreven machines) had ook een onderzoeksafdeling: Rodale's Research and Development Department. Samen met uitvinder Dick Ott ontwikkelden ze hun versie van de universele pedaalaangedreven machine, de "Energy Cycle".
Net zoals de Dynapod was het een speciaal ontwikkelde machine, geen aanpassing van een bestaande fiets, en kon ze een groot aantal verschillende gereedschappen en apparaten van energie voorzien.
Dat waren onder meer keukentoestellen (zoals een eierklopper, blikopener, visvilder, notenkraker, vleessnijder en kersenpitter), landbouwmachines (zoals een irrigatiepomp, verenplukker, aardappelenrooier, en zaadreinigingsmachine), en meer algemene gereedschappen (slijpmachines, polijstmachines, boormachines en houtsnijders). Ook aan de Energy Cycle kon een generator worden aangesloten, om zo elektriciteit op te wekken.
Er werden verschillende prototypes gebouwd, eerst uit ijzer, vervolgens uit staal. Bij de eerste upgrade van het ontwerp werd een grote werktafel toegevoegd die de operator de mogelijkheid bood om allerlei dingen te doen zonder zijn of haar stoel te verlaten. Latere versies werden uitgerust met een vliegwiel. Experimenten toonden aan dat de machine aanzienlijke voordelen opleverde in vergelijking met handaangedreven machines of kleine elektrische motoren en dieselgeneratoren. De grootste uitdaging was het ontwerp van een systeem om de verschillende gereedschappen aan de krachtbron vast te maken - een probleem dat met serieus onderzoek wellicht zou kunnen worden opgelost.
De pedaalaangedreven lier
Zowel de Dynapod als de Energy Cycle konden ook ingezet worden als een pedaalaangedreven lier, waardoor opnieuw een groot aantal toepassingen mogelijk werden. Een lier is een handig instrument om ladingen voort te trekken of omhoog te trekken, om dingen uit te graven, of om sneeuw te ruimen.
In de landbouw kan een lier worden gebruikt voor kabel-cultivatie, een principe waarbij de motorkracht voor het ploegen, omeggen, zaaien of harken stationair is en alleen het werktuig zelf over het veld beweegt, vastgemaakt aan een kabel. Deze landbouwmethode is gebaseerd op stoomploegen, wat honderd jaar lang de enige gemechaniseerde landbouwmethode was.
Kabelteelt brengt een aanzienlijke energiebesparing met zich mee omdat de krachtbron - of dat nu een dier, een mens of een machine is - geen energie verspilt om zichzelf over het veld voort te bewegen. Bijkomende voordelen zijn het vermijden van bodemverdichting - een belangrijk nadeel van het gebruik van een tractor - en de mogelijkheid om landbouw te bedrijven op drassige grond en op steile hellingen.
Op een terrein dat een jaar braak had gelegen, kon de Energy Cycle een ploeg door de met onkruid en gras begroeide grond trekken, daarbij een prima alternatief vormend voor een werkpaard of een tractor.
Eén persoon trapte de lier aan terwijl een andere persoon de ploeg door het veld begeleidde. Beiden hadden ongeveer een uur nodig voor het omploegen van een veld van 140 vierkante meter. Het enige probleem was dat de lier de gebruikte handwerktuigen omboog of brak.
Omwille van dit probleem, en omdat de lier voor het overige zo goed werkte, besloot het onderzoeksteam een speciale pedaalaangedreven lier en speciaal daarvoor uitgeruste werktuigen te maken.
Met deze compactere krachtbron - in feite twee pedalen gescheiden door een spoel gemonteerd op lagers en ingebouwd in een frame waarin ook een zitje was vastgemaakt - kon bij een gemiddelde krachtinspanning een gewicht van 450 kilogram over de grond voort worden getrokken. Samen met een speciaal ontworpen draagstructuur waaraan verschillende werktuigen konden worden vastgemaakt, werd de lier succesvol gebruikt voor alle eerder beschreven landbouw- en ook bosbouwactiviteiten (het wegslepen van boomstronken).
Voor toepassingen die een hoge trekkracht en lage snelheid vereisten (zoals het ploegen door moeilijke grond) werd een lage versnelling gebruikt. Voor lichtere activiteiten (zoals zaaien of harken) werden hogere versnellingen ingezet. Om de lier makkelijk zijwaarts te bewegen, kon ze op een slee gemonteerd worden. Het gewicht van de operator gaf daarentegen voldoende steun om de krachtbron tijdens het trappen op zijn plaats te houden.
Human Powered Flywheel Motor
Een interessante variant op de universele pedaalaangedreven machine is de Human Powered Flywheel Motor (pdf, foto's hierboven en hieronder) ontworpen door JP Modak, een professor emeritus uit India. De opmerkelijke eigenschap van de krachtbron - die in ontwikkeling is sinds 1979 - is dat ze veel meer vermogen kan leveren dan de persoon die ze bedient. De machine slaat de door de mens opgewekte energie op in een vliegwiel (er wordt één tot twee minuten getrapt) en laat die opgeslagen kinetische energie vervolgens op zeer korte tijd vrij voor het aandrijven van een industrieel proces. Het concept werkt alleen als dat proces niet onafgebroken moet doorgaan om een goed eindproduct op te leveren.
De machine werd oorspronkelijk ontworpen voor de fabricage van (in de zon gedroogde) bakstenen voor een bouwonderneming in Mumbai. Ondertussen is ze ook ingezet voor andere industriële processen zoals de productie van veevoeder, houtbewerking, de bediening van een smeedhamer en het (kort) aandrijven van elektrische processen die een hoog vermogen vereisen.
Tot nu toe werd tot 2 PK geleverd, zeven tot twintig keer meer energie dan wat een mens respectievelijk kortstondig of langdurig kan leveren. Volgens Modak moet het mogelijk zijn om die maximale krachtoverbrenging op te schroeven tot 6 PK. Je kan het vliegwiel niet oneindig groter en zwaarder maken, omdat je het dan niet meer in beweging krijgt.
De krachtbron van Modak bestaat uit een fietsframe (dat zowel voor een zitje als een handsteun zorgt), een aantal versnellingen en een vliegwiel van ongeveer een meter in diameter. De industriële machines die door de energiefiets worden aangedreven zijn identiek aan degenen die worden gebruikt in combinatie met een gemotoriseerde krachtbron.
Tractoren met trappers
Een heel andere aanpak van de universele pedaalaangedreven krachtbron werd gevolgd door David Weightman. Zijn concept (en prototype) was geïnspireerd door de Dynapod, maar Weightman voegde daar nog een eigenschap aan toe: de krachtbron moest bruikbaar blijven voor transportdoeleinden. Zijn Pedal Power Unit (PPU) bestond uit een fietswiel in een vork dat was vastgemaakt aan een frame met een zadel. De machine kon onafhankelijk worden gebruikt om allerlei apparaten mechanisch aan te drijven, maar ze kon ook worden vastgemaakt aan een tweewielig chassis om zo een driewielige vrachtfiets te vormen. Bovendien kon de PPU ook in serie worden opgebouwd met andere PPU's, om zo machines aan te drijven die meer kracht vroegen dan één persoon kon leveren.
Weightman rechtvaardigde zijn concept door te stellen dat er een hechte band bestaat tussen transport en machinegebruik in zowel landbouw als industriële productie. De PPU was met andere woorden een alternatief voor de tractor, die ook voor beide doeleinden wordt ingezet:
"In a typical agricultural growing cycle, seed and fertilizer are transported to the field, crops are grown and then processed by machinery, and then produce is transported to the market. Similar patterns can be seen in construction and small scale industrial production. The use of a pedal power unit in this dual purpose role is exactly analagous to the use of tractors in European agriculture as power sources and transport devices. The PPU is equally suitable as the Dynapod when operating a number of machines but is more economically feasible for an individual farmer due to its capability as a transport device."
Job Ebenezer van de NGO "Technology for the Poor" ontwikkelde dit design verder en maakte het een stuk eenvoudiger door de driewieler te vervangen door een tweewieler. Op het eerste gezicht lijkt zijn "Dual-Purpose Bicycle" (foto hierboven en foto's hieronder) erg op de energiefietsen die vandaag de dag worden gebruikt om elektriciteit op te wekken. Maar deze machine is multi-functioneel.
Het ingenieuze concept bestaat uit een klein vliegwiel dat aan een standaard fiets wordt vastgemaakt en dat gebruikt kan worden voor het bedienen van dorsmachines, slijpmachines, maalmachines, wanmachines, notenkrakers, cirkelzagen, draaibanken, waterpompen, een elektrische generator en een waaier aan kleinere en lichtere gereedschappen.
De energiefiets kan snel worden omgetoverd van transportmiddel naar energiecentrale en andersom. De brede steun, die stabiliteit geeft tijdens het aandrijven van machines, wordt omhooggeklapt en doet tijdens het rijden dienst als bagagedrager. Het vliegwiel blijft vastzitten aan de fiets als er mee wordt gereden.
Uiteraard is dit concept een compromis, maar het is een interessant compromis. Tegengesteld aan de moderne energiefietsen, beschikt deze machine over een vliegwiel en gebruikt ze geen frictie-aandrijving maar een efficiëntere kettingaandrijving. Als de machine als krachtbron wordt gebruikt, wordt de fietsketting van het achterwiel gehaald en rechtstreeks aan het vliegwiel gekoppeld. Het wisselen van versnelling is zo eenvoudig als bij een gewone fiets.
De toekomst van de pedaalaangedreven machine
Als we het onderzoek naar stationaire fietsmachines flink zouden opdrijven en het in de juiste richting zouden sturen (waar mogelijk weg van de productie van elektriciteit), dan zou pedaalkracht een belangrijke bijdrage kunnen leveren aan het uitbouwen van een post-fossiele maatschappij die een groot deel van het comfort van een moderne levensstijl kan behouden.
De mogelijkheden van pedaalkracht zijn veel groter dan het gebruik van de fiets als transportmiddel. Stationaire fietsen zouden mechanische energie kunnen leveren voor landbouw, fabrieken, bouwwerken, mijnbouw en zelfs andere transportmiddelen dan fietsen: kabelspoorbanen, kabeltreinen en trolleyboten. Ook in huis kunnen pedaalaangedreven machines van pas komen.
Mooie achterwerken
Eén van de grootste voordelen van pedaalkracht is dat ze - in tegenstelling tot andere hernieuwbare energiebronnen zoals zon en wind - 24 uur per dag en 365 dagen per jaar beschikbaar is. Ze wordt niet beïnvloed door het weer, en is bovendien makkelijk te transporteren en op te slaan voor later gebruik. Tegengesteld aan biomassa en windenergie, kunnen we er nooit te veel van gebruiken, aangezien het potentieel ervan gelijke tred houdt met de bevolkingsaangroei. Pedaalkracht zou ook voor veel extra jobs kunnen zorgen, een gezonde levensstijl bevorderen en - last but not least - heel wat mooie achterwerken opleveren.
Energieverbruik
Uiteraard kan pedaalkracht alleen maar een rol van betekenis spelen als we ons energieverbruik drastisch omlaag brengen. Het grootste probleem met onze kijk op energiefietsen is dat we ze vergelijken met door fossiele brandstoffen aangedreven machines en niet met de veel minder efficiënte handwerktuigen die voor het einde van de negentiende eeuw in gebruik waren.
Dit verklaart waarom pedaalkracht in het westen meestal als een goede grap wordt beschouwd, terwijl een energiefiets in ontwikkelingslanden - waar vaak nog met pre-industriële technologie wordt gewerkt - enthousiast wordt onthaald. Voor hen is het een forse stap vooruit, voor ons is het een stap achteruit die we niet bereid zijn te nemen.
Het ironische is dat de armste landen in de wereld evolueren naar duurzame samenlevingen onafhankelijk van fossiele brandstoffen, genietend van elementair maar modern comfort, terwijl wij elke dag afhankelijker worden van steeds vuilere, gevaarlijkere en slinkende energiebronnen.
Zelf bouwen
Kris De Decker
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
Verwante artikels:
- Europa zoekt vrachtfietsers (m/v): veel werk voor goede fietsbenen
- Maak alles samen: open modulaire hardware
- Geschiedenis (en toekomst) van de industriële windmolen: is de windmolen een alternatief voor de windturbine?
- Zeilen op de autosnelweg: pedaalkracht en windkracht verzoend
- Snelwegen voor fietsers: in één ruk van A naar B
- Hoe milieuvriendelijk is de energiefiets? Electriciteit produceren is niet bijzonder efficiënt
- Het Museum voor de Oudere Technieken: handwerktuigen
- Pedaalkracht voor macho's: het sex-appeal van de fiets (voor mannen)
- Cycle chics: het sex-appeal van de fiets (voor vrouwen)
- Fietsen zonder trappers: kickbikes
- De velomobiel: hightech fiets of lowtech auto?
- Handboren en manuele boormachines: waar zijn ze gebleven?
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
|
|
(1)
"Dit verklaart waarom pedaalkracht in het westen meestal als een goede grap wordt beschouwd, terwijl een energiefiets in ontwikkelingslanden enthousiast wordt onthaald"
Niet altijd. In steeds meer westerse landen raakt de gewone fiets weer in gebruik - terug van weggeweest - al is het energieverbuik onvergelijkbaar met gemotoriseerd prive vervoer. Juist in ontwikkelingslanden wordt de fiets gezien als een armelui voertuig en is gemotoriseerd vervoer - al is het met een stinkende brommer - als de vooruitgang gezien.
Zo evolueren ook armste landen naar onduurzame samenlevingen
Geplaatst door: roland | 30 mei 2011 om 13:04
(2)
Kijk eens hoeveel mensen zich iedere dag op een hometrainer in het zweet trappen, die trapkracht zou evengoed nuttig aangewend kunnen worden voor het aandrijven van machines.
Geplaatst door: Stormbeest | 01 juni 2011 om 20:29
(3)
Hoi,
Ik lees hier een aantal artikelen over energiefietsen en pedal power.
Als ik het goed begrijp kan een mens 175W leveren en J.P. Modak kan daar met de Human Powered Flywheel Motor 2 tot 6 PK (factor 10 tot 30 méér) van maken, door middel van een constellatie van vliegwielen.
Is dat dat toch eindelijk het perpetuum mobile?
Met de energiefiets elektriciteit opwekken was geen goed idee, omdat er 75% verlies onstaat met het opslaan in batterijen en omvormers en transport. Hou ik toch nog altijd 2,5 tot 4,5 keer zoveel energie over als dat ik erin heb gestopt.
Hoeveel kuub ruimte heb je nodig voor het benodigde extra zware vliegwiel.
Dat leveren de gebruikers van de machine terug aan de energiemaatschappij.
Geplaatst door: Huub | 28 juli 2011 om 23:19
(4)
Huub: geen perpetuum mobile. De prijs die je betaalt voor het hogere vermogen, is dat je langer moet trappen. Een minuut trappen geeft slechts een paar seconden dat hoge vermogen (maar daarmee kan je heel veel doen, zoals Modak beschrijft). Het vliegwiel slaat de energie voor korte tijd op en laat dan alles opeens vrij. Het is te vergelijken met historische kranen, uitgerust met katrollen. De Romeinen konden al ladingen tot 12 ton opheffen, puur op spierkracht. Maar daarvoor moesten ze wel erg lang aan een hendel draaien.
Een vliegwiel neemt inderdaad veel plaats in.
Je andere vragen/opmerkingen begrijp ik niet.
Geplaatst door: Kris De Decker | 29 juli 2011 om 00:31
(5)
Hallo.
Het neem veel plaats in: hangt er vanaf in welke vorm je het maakt en of je bouwt het in.
vb: onder een werktafel.
Het hoeven geen trappers te zijn maar kunnen ook andere pedaal vormen zijn.
vb: een draaibank voor hout bewerking die aangedreven werdt door een pedaal.
Of je kan de rotatie doen zoals bij een tol (buiten boord motor).
Of zoals bij oud naaimachines
Efficientie van electriciteits opwekking:
Gebruik je daarvoor de oude dynamo's voor en neem je een wiel waar de generator in zit. Die generator kan dan het hele wiel in beslag nemen en zo meer produceren en als vliegwiel dienen.
Opslag van de electriciteit:
Niet alle batterijen zijn milieu vervuilend. zie water batterij. Je kan ook condensators nemen.
Geplaatst door: Bongers Guy René | 21 april 2012 om 17:12