Energía de propulsión humana en bicicleta

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26/03/2010
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La mayoría de las personas del siglo XXI somos tan analfabetos en temas energéticos que hemos quedado reducidos a simples “abonados” de las corporaciones que producen y comercializan energía. Nuestra civilización se ha lanzado históricamente sobre cualquier fuente de energía disponible. Primero, fueron las llamadas energías de sangre (animales domésticos y esclavos humanos) luego al aprovechamiento del viento y el agua (velas, norias, etc.) hasta que de pronto descubrimos el vapor quemando madera o carbón y luego ya llegamos al paroxismo con los combustibles fósiles líquidos y la fisión del átomo. El vapor nos permitió a su vez generar un vector energético como la electricidad. Y hoy la electricidad aporta la energía a un 40 % de las necesidades humanas (especialmente, en el ámbito doméstico). Pero para la producción de electricidad hemos descubierto otras formas más sostenibles que el sucio petróleo y la peligrosa radiactividad: son las llamadas energías renovables (la fotovoltaica, la eólica, la mareomotriz, la minihidráulica, etc.).

Una máquina ideal para el ahorro de combustibles fósiles y autoproducirse la energía renovable en la propia vivienda.

Pero a menudo nos descuidamos de otra fuente renovable nada despreciable: la energía humana como fuente para producir electricidad. Este reportaje quiere ser una aproximación a la energía de propulsión humana mediante la bicicleta para usos domésticos (otro cantar es la bicimanía para volar, navegar, etc. que sería objeto de otro reportaje).

Capacidad energética del ser humano

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Central energética a propulsión humana a base de pedaleo comunitario.

La fuerza mecánica de los humanos nace de la aportación energética de los alimentos que dan movimiento a la musculatura e intervienen en el buen funcionamiento metabólico que nos permite la vida. El valor de los alimentos (vegetales y animales) es proporcional a la cantidad de energía que nos proporciona cuando se metaboliza en presencia de oxígeno. La unidad de medida es el Joule, aunque por tradición se emplea también la caloría que equivale a la cantidad de calor que necesitamos para aumentar en un grado la temperatura de un gramo de agua (ver cuadro de equivalencias al final del texto) [1]. Este unidad energética es muy pequeña por lo que la aportación energética de los alimentos se mide en kilocalorías (1 kcal = 1.000 calorías). Las dietas humanas contienen entre 1.000 kcal/día hasta 4.000 kcal/día. La cantidad de energía varía según la actividad que desarrollemos. No es lo mismo cortar leña que correr o atender el trabajo en una oficina. Una parte de la energía de los alimentos está destinada a lo que se llama mantenimiento metabólico basal (incluida la necesidad del reposo o dormir). En una persona adulta de unos 70 kg este mínimo vital se lleva ya unas 1.650 kcal en alimento. Aquí también es importante la dieta o aportación calórica de cada tipo de alimento. Mientras los hidratos de carbono proporcionan 4 kcal por gramo, igual que las proteínas, las grasas proporcionan 9 kcal por gramo. El combustible que ingerimos pues es determinante para la actividad que realizamos. Si consumimos más que no gastamos, pues uno engorda y podemos perder calidad metabólica (o sea perjudicar nuestra salud).

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Máquina de coser montada sobre un triciclo en Yakarta. Foto Wiki Commons.

La potencia media energética humana, con alimentación adecuada, está alrededor de los 150 W sobre una máquina capaz de su aprovechamiento, como es una bicicleta. Un aficionado al ciclismo puede dar fácilmente unas 90 pedaladas por minuto (1,5 pedaladas por segundo), de los que ya se consumen unos 100 W en mover el peso de las propias piernas. Los niveles de potencia que un ser humano puede proporcionar pedaleando depende de la fortaleza muscular, pero también del tiempo. Por breves espacios de tiempo sobre una bicicleta se pueden desarrollar potencias de hasta 400 W (determinados ciclistas de competición en un sprint), pero lo habitual es que para usos energéticos extendidos durante varias horas, no se supere los 50 W de potencia. Igualmente, el trabajo muscular depende también de la interacción con el entorno del ser humano. No es lo mismo el pedaleo estacionario que en ruta. En movimiento sobre un camino el ciclista ha de vencer la resistencia al viento y el rozamiento de la superficie por donde se circula. Además, la disponibilidad de líquidos y alimentos en el recorrido, la temperatura ambiental, etc. también influyen en la potencia final desarrollada por quien pedala.

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El potencial energético de la propulsión humana en bicicleta está condicionada por el propio diseño del ciclo y muy especialmente del sistema de pedaleo. Foto: Rotor RS4X de Rotor Componentes Tecnológicos.

Finalmente, la potencia real que podemos ejercer depende de la relación entre la velocidad de rotación en revoluciones por minuto y el rendimiento en la transmisión. Adentrarnos en el mundo de la ciencia sobre la bicicleta nos obligaría a una extensión y nivel de comprensión que ultrapasa la finalidad de este artículo. Sin embargo, de forma simplificada podemos afirmar que una bicicleta con un plato en el eje de pedaleo de 48 dientes y un engranaje de 12 dientes en la transmisión nos permite un desarrollo con sólo una pérdida del 10 % respecto a un ideal como es 15:1. En otras palabras aplicando 50 W de potencia el pedaleo nos entregaría 45 W. Sin embargo, hay otras partes que intervienen como son la medida de las bielas o también la propia posición del ciclista. Igualmente, el diseño del plato aporta mejoras en la eficiencia. Este es el caso de los plato ovalados o Qring y el plato articulado Rotor [2] desarrollados por al empresa española Rotor Componentes Tecnológicos que incrementan entre un 11 % y el 16 % la potencia respectivamente en comparación con un plato dentado convencional. Pero si en vez de desplazarnos con la bicicleta, lo que queremos es generar energia eléctrica, el rendimiento final obtenido dependerá del ingenio que genere la energía eléctrica, en este caso la dinamo o generador.

En síntesis, un ciclista de unos 70 kg que pedalee entre 10 y 20 km/h consume entre 245 y 410 kcal/hora. Un ejercicio de esta potencia durante una hora al día y por semana supondría quemar entre 1 y 1,5 kg de grasa y nos aportaría la energía necesaria para ver una película en DVD sobre una pantalla plana de unas 19 pulgadas.

 

Redescubriendo la energía de los pedales

Partiremos del principio que una de las máquinas más eficientes para transmitir la potencia energética humana es la bicicleta. Recordemos que cuando uno se desplaza en bicicleta se consumen alrededor de 0,15 calorías por gramo de peso del individuo y por kilómetro, comparado con 0,75 calorías andando. Montados en una bicicleta, tanto por la posición del cuerpo como por su diseño preparado para el movimiento de la mayor masa muscular disponible en el ser humano (las piernas), se llega a grados de eficiencia elevados de hasta el 25 %. No es extraño pues que la invención de la bicicleta y de la electricidad pronto tuvieran una convergencia tecnológica. En seguida se aplicó al movimiento de la rueda la posibilidad de producir la iluminación para circular de noche con la llamada dinamo que rodaba sobre la cubierta neumática. Más tarde este mismo principio de generación eléctrica se aplicó sobre los bujes de las ruedas (dinamos de buje) que reducen la pérdida energética por el rozamiento. Finalmente, los propios engranajes ciclistas han servido para imaginar un sin fin de aplicaciones para obtener energía mecánica de una forma más eficiente.

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Herramienta de taladro accionada por pedaleo difundida por el grupo CCAT de la Universidad de Humbolt (EUA).

A principios de los años 70 y como resultado de la crisis energética muchas personas volcaron su capacidad intelectual para buscar cómo obtener energía con sistemas autónomos y menos dependientes del petróleo. Sin duda, las energías renovables, y en especial los ingenios eólicos y solares fueron de los primeros. Pero también recibió una significativa atención la energía de propulsión humana. Un libro histórico en este sentido es Pedal Power in work, leisure and transportation (Pennsylvania: Rodale Press, 1974) de James C. McCullagh que recopila algunas de las experiencias en el ámbito del aprovechamiento de la potencia de los pedales incluidas máquinas como los dynapod (dinamo de pié) o artilugios para trabajos mecánicos accionados a pedales. Hoy hay pedales generadores de electricidad para proporcionar iluminación, elevar agua con una bomba, pero también para trabajos mecánicos como moler grano, descascarillar frutos secos, mover herramientas como pulidoras, etc. La variedad de artilugios para generar trabajo en bicicleta constituye uno de los elencos de tecnología apropiada más interesantes de todo lo disponible.

Existen diseños múltiples para realizar trabajos de forma más eficiente a partir de la energía que puede brindar el pedaleo. Son las llamadas bicimáquinas como los que promueve la organización mexicana Centro Autónomo para la Creación Intercultural de Tecnologías Apropiadas en México o la organización guatemalteca Maya Pedal. Estas organizaciones, además de diseñar sus bicimáquinas pues tienen también el objetivo de recuperar bicicletas viejas. Los inventos en este ámbito de lo que podemos llamar tecnologías apropiadas vienen desarrollándose por todo el planeta. Un ejemplo, curioso son las máquinas de coser a pedales que en Yakarta en Indonesia forman parte de los trabajadores a domicilio que ofrecen sus servicios de forma ambulante; razón por la cual van sobre un triciclo. La bicicleta como fuente de energía mecánica es sin duda la que tiene el mayor abanico de aplicaciones descritas y documentadas.

Licuadora a base de pedaleo fabricada por Maya Pedal reciclando piezas de bicicleta viejas.

Aplicaciones cicloeléctricas

Una de las revoluciones a las que asistiremos en los próximos años será la generación eléctrica con energía de propulsión humana. Lo que puede parecer una broma es una realidad gracias a las posibilidades que otorgan los nuevos imanes cerámicos y los diseños de generadores y estabilizadores que permite la microelectrónica de los semiconductores. Estos sistemas de generación eléctrica con pedaleo parten habitualmente de un principio básico que es producir la electricidad con un generador de corriente continua para que sea almacenada a una batería y de esta ya de forma estabilizada convertirla si es necesario a corriente alterna para alimentar pequeños electrodomésticos caseros. La clave en la conversión eléctrica de la energía del pedaleo está en que el rango de velocidad puede ser muy variable y esto exige, como hemos comentado, el almacenamiento previo. Sin embargo, puede que cuando se implante la autoproducción energética en el ámbito doméstico se diseñen inversores capaces de inyectar cicloelectricidad alterna a la red.

Un caso de tecnología emergente en el ámbito de la generación eléctrica a partir de las bicicletas son las dinamos de buje. Estas dinamos situadas en lugar del buje tradicional tienen la ventaja de tener menos rozamiento y un mayor potencial energético. Gracias a ello actualmente se han convertido ya en una tecnología muy apreciada para cargar, mientras se pedalea, pequeñas utilidades microelectrónicas tales como teléfonos móviles, aparatos de MP3, GPS, etc. Las dinamos de buje empezaron a ser populares a partir de 1940 por ser más eficientes que las dinamos de botella que perdían eficiencia debido al rozamiento con el neumático. El coeficiente de rozamiento que añaden las dinamos de buje es mínimo y aunque su peso puede ser unas 5 veces mayor que un buje le aportan una gran utilidad a la rueda.

Dinamo de buje de SON, sistema de transmisión de la energía generada por la dinamo hasta la batería polivalente (según una idea de Dahon) que permite posteriormente la recarga de pequeñas utilidades microelectrónicas. El cargador PedalPower+ puede necesitar de unas 2,5 horas de pedaleo para que la dinamo de buje haga una carga completa de nuestro teléfono móvil.

El rozamiento de noche cuando la luz está encendida es algo mayor, pero tanto con la luz apagada como en funcionamiento a 15 km/h no supone más que un decrecimiento en el rendimiento del pedaleo inferior al 10 %. La cantidad de luz que ofrecen es en base a la legislación alemana para bicicletas que exige 0,75 W de luz a 5 km/h y 2,7 W a 15 km/h. 
Actualmente, existen esencialmente tres fabricantes: la inglesa Sturmey-Archer, la japonesa Shimano y la alemana Schmidt Maschinenbau (SON). Esta última ofrece también el modelo XS100 para ruedas de bicicletas plegables.

Junta con la dinamo de buje algunos fabricantes han desarrollado ya estabilizadores de la corriente continua para cargar aparatos microelectrónicos, caso del E-Werk de Busch&Müller. En general son dispositivos diseñados para modular la electricidad continua generada por la dinamo de buje para que sea adecuada al aparato que queremos recargar durante nuestro paseo. Otras marcas han lanzado baterías de alta capacidad que almacenan la electricidad generada en la dinamo de buje que luego podemos traspasar a los pequeños gadgets microelectrónicos.
 

Kits de cicloenergía eléctrica

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Kit de producción energética para una bicicleta de la empresa americana Windstream Power. Uno de los de mayor calidad que existen en el mercado.

Finalmente, hay que destacar los kits de cicloenergía que basan su tecnología en potentes generadores de corriente continua que se adjuntan a caballetes de entrenamiento para bicicletas. Sobre estos caballetes, nuestra bicicleta convencional puede convertirse en bicicleta estática y de este modo pedalear en casa a la vez que generamos energía eléctrica. En este caso la calidad energética o el mejor rendimiento de los mismos dependen de un buen diseño ya que además del generador propiamente dicho deben tener un buen eje así como una superficie de rodamiento con el mínimo de fricción posible. Entre los kits de mayor calidad destaca el norteamericano de Windstream capaces de proporcionar unos 20 Ah en un ritmo de pedaleo sostenible. Si lo usamos de cargador para una batería de 12 V este tipo de generadores pueden entregar 240 W a 15 V máximo. Pero existen verdaderos forofos del llamado Pedal Power capaces de convertir una bicicleta en una verdadera máquina productora de energía. Los manuales y trabajos en este campo son innumerables. Tanto informaciones accesibles en internet, como la hoja técnica de David Gordon, hasta el  libro de Tamara Dean, The Human-Powered Home publicado por NewSociety, ofrecen posibilidades para aprender sobre el tema. Al fin y al cabo, diseñarse su propio kit de cicloenergía autónomo destinado a países no desarrollados no es tan difícil y la información no falta en internet donde pueden encontrarse ingenios diversos.

Sistema de generación eléctrica con múltiples bicicletas. Una dinamo-generador para la rueda de una bicicleta para generar electricidad deRollergen. Mesa de pedaleo para alimentar un ordenador portátil.

El segundo elemento clave de estos kits son las baterías. Windstream, por ejemplo se suministra con baterías de 20 a 60 Ah en 12 voltios que pueden proporcionar de 240 a 720 Wh, las cuales, una vez cargadas gracias a la energía mecánica del pedaleo, disponen de suficiente energía para suministrar varias horas de electricidad en continua o en alterna (si añadimos un inversor) para un ordenador, la televisión y otros pequeños electrodomésticos de nuestro hogar. Los generadores más usuales de bicicletas rinden unos 200 W y a 12 V pueden proporcionar de 8 a 17 Ah (jo posaría : pueden proporcionar un máximo de 17 Ah ...) con un ritmo de pedaleo respetable. Otro producto interesante es el Shakti de la empresa Rollergen, que de forma muy compacta ofrece 100 W de potencia y es especialmente adecuado para actividades de cooperación.

Kit de producción energética demostrativo haciendo funcionar un Scalextric, una actividad pedagógica propiedad del Institut Català de l'Energia en Barcelona. Obsérvese en la imagen de la izquierda el motor generador de 200 W y la superficie de rodamiento. Foto: Fundación Tierra.

Estos kits son interesantes porqué en si mismos llevan la esencia de las bases de conocimiento esencial sobre la electricidad. El motor tiene una potencia pero en función de nuestro pedaleo y las revoluciones del mismo, el voltaje es variable. Una experiencia bien interesante es el Scalextric cicloeléctrico. Los cochecitos funcionan entre 6 y 12 V de corriente. Con un motor de 200 W se observa perfectamente cuanto pedaleo es necesario para que el coche avance y sobretodo el esfuerzo que hay que hacer si queremos que corra a máxima velocidad. Lo máximo que los chavales han sido capaces de generar en estas experiencias son 140 W·h, según han observado en Intiam Ruai, una de las empresas pioneras en la pedagogía de las renovables, son 140 W·h.

Detalle de uno de los famosos árboles navideños de propulsión ciclista que el Ayuntamiento de Barcelona puso en las calles en el 2008-09. Nótese la escasa calidad del kit generador como muestra la imagen de la izquierda. Se trata de simple dinamo de botella deslizándose sobre un cilindro giratorio; una auténtica chapuza tecnológica que se vio nuevamente en el Festival de la Infancia 2009-10 de Barcelona. Foto: Fundación Tierra.

Otra aplicación de la energía humana generadora de electricidad es la diseñada por la empresa Azimut360 que llama anthroposinergía y en la que el movimiento de la dinamo se consigue con la fuerza de una rueda que a modo de volante de inercia le da estabilidad al pedaleo y facilidad para la producción energética. Esta aplicación se puso en marcha para el proyecto En Clave de Sol diseñada por la Asociación Producciones Callejeras que impulsan conciertos musicales con renovables y energía biomotriz. El diseño de etas bicimáquinas energéticas es sin duda una de las más interesantes para producir electricidad limpia. La energía de la dinamo se pasa por un regulador que la envía a una batería y desde la misma se conecta a los equipos de música implicados en el sistema. En fin, una buena iniciativa para convertir los eventos artísticos y musicales no sólo una actividad sostenible y participativa.

Las bicicletas con volante de inercia para generar electricidad y convertir en autónomos energéticamente los conciertos musicales con renovables y bici. Fotos: Fundación Tierra.

Más allá de la cantidad de energía que un kit cicloeléctrico puede entregarnos de forma alternativa y renovable, estas aplicaciones cicloeléctricas tienen una componente pedagógica muy importante pues nos dan una relación directa del esfuerzo que supone la generación de energía eléctrica y la necesidad del ahorro de la misma. Sin ir más lejos y como ejemplo, pedalear a buen ritmo durante treinta minutos nos aportaría 1 hora de consumo para un ordenador portátil. Sin duda, las aplicaciones didácticas en este caso pueden doblar en interés al objetivo de producción energética, aunque ésta tampoco es despreciable y aporta una autonomía energética de alto valor. En el futuro será interesante que, a la par de las mejoras tecnológicas de la bicicleta, aparezcan dinamos diseñadas específicamente para el pedaleo y que permitan inyectar directamente la electricidad generada a la red eléctrica de nuestra vivienda. De este modo el esfuerzo de estos, digamos por ejemplo 140 Wh de una hora de pedaleo y ejercicio, tendrán la compensación de la autoproducción energética.

Pedales humanos convertidos en la fuerza para accionar un tiovivo lleno de sensibilidad para que los más pequeños viajen al país de los sueños creado por Theatre de la Toupine. Foto: Fundación Tierra.

 

[1] Algunas de las unidades de energía empleadas, así como sus equivalencias:

En el sistema internacional la unidad de medida de energía es el Joule (J), aunque por tradición también se emplea la caloría (cal). Tienen equivalencias con el vatio hora (W·h) y el kilovatio hora (kW·h).
1 Cal = 4,18 J = 1,157•10-6 kW•h = 1,157•10-3 W•h
1 Joule = 0,24 cal = 2,778•10-7 kW•h = 2,778•10-4 W•h
1 kW•h = 864000 cal = 3.600000 J = 1000 W•h

La potencia es la energía consumida o generada por unidad de tiempo. La unidad en el sistema internacional es el vatio (W), que es un Julio por segundo.

Y cuando hablamos de energía o potencia eléctrica vale la pena recordar que:
Ah (amperios hora) • Voltaje en Voltios (V) = energía en W•h (vatios hora)
A (amperios)• Voltaje en V (voltios) = potencia en W (vatios)

[2] Rotor es un innovador pedalier con la capacidad de eliminar el punto muerto del pedaleo. El punto muerto en el pedaleo convencional es el vacío que ocurre cuando los pedales se posicionan en vertical (uno arriba y el otro hacia abajo), momento en el cual las piernas no pueden transmitir potencia a la rueda.

El punto muerto limita el rendimiento del ciclista, causa tendinitis y lesiones de rodilla, así como discontinuidad en la tracción. El sistema Rotor proporciona la solución definitiva a esta ineficiencia, típica de los pedalieres convencionales, eliminando los puntos muertos. Rotor crea una cierta independencia entre las dos bielas de manera que no se alinean a 180º de manera fija, sino que el ángulo entre ellas varía durante el ciclo de la pedalada, así un pedal nunca se sitúa debajo del otro, evitando el vacío de potencia.

Eliminando el punto muerto, Rotor optimiza el esfuerzo del ciclista y reduce el riesgo de lesión, proporcionando un notable aumento de rendimiento y un pedaleo más saludable y confortable. El efecto Rotor se consigue gracias al uso de bielas independientes sincronizadas mediante dos bieletas o tirantes y un soporte excéntrico sobre el cual giran los platos. El desarrollo a mover por el ciclista varía dependiendo del punto dónde se sitúa la biela según un esquema similar al de la figura superior, de manera que el desarrollo es mayor en las zonas en las que el ciclista puede ejercer más fuerza sobre los pedales y menor en las zonas en las que no se puede generar potencia, optimizando el esfuerzo muscular de cada pedalada.

Texto elaborado por la Redacción de terra.org | Fundació Terra. Imágenes propias y proporcionadas por las fuentes citadas.