Projekt: Regenerative Energien

Titel: Machbarkeitsstudie über die elektrische Nutzung humaner mechanischer Energie Bezogen auf das Beispiel: „Fitnessstudio als Kraftwerk“

Teammitglieder: Jimmy Surendran, Nicolas Ürlings

Inhaltsverzeichnis:

1. Das Fitnessstudio als Kraftwerk

2. Wie hoch ist die Leistungsfähigkeit eines Menschen?

3. Bilanzierung des Energieverbrauchs eines Fitnessstudios (Heizenergie und elektrische Energie)

4. Erörterung der Technik zur Umwandlung von mechanischer zu elektrischer Energie

5. Energieerzeugung mit dem Fahrrad

6. Übersicht über die zur Energieumwandlung geeigneten Fitnessgeräte

7. Frage der Speicherfähigkeit

8. Erfolgreiche Anwendung in Fitnessstudios

9. Zusammenfassung möglicher elektrischer Energieerzeugung eines Fitnessstudios

Fitnessstudio als Kraftwerk

Auf Grund des boomenden Fitnessmarktes mit einer Wachstumsrate im zweistelligen Bereich kommt die Frage auf, ob die verbrannte Energie der 7 Millionen Mitglieder in deutschen Fitnessstudios ⁱ nicht zur Versorgung von elektrischen Geräten genutzt werden kann. In anderen Ländern ist der prozentuale Anteil von Mitgliedern in Fitnessstudios an der Bevölkerung sogar doppelt so hoch ⁱⁱ . Fitness ist von den Mitgliederzahlen hergesehen die Sportart Nr.1 in Deutschland und in vielen anderen Ländern. Im folgenden Text werden Möglichkeiten der elektrischen Energieerzeugung durch Muskelkraft betrachtet. Eine mögliche thermische Energieerzeugung zur Versorgung eines Zielobjektes wird hier nicht erörtert. Eine wirtschaftliche Gestaltung eines regenerativen Projektes der Energieerzeugung ist die Prämisse, jedoch spielt der Effekt einer „grünen“ Energieproduktion in Zeiten der globalen Erwärmung auch eine Rolle. Die Gewichtung des ökonomischen Aspektes überwiegt dabei klar dem ökologischen.

Wie hoch die Diskrepanz zwischen möglicher erzeugter Energie an Fitnessgeräten gegenüber dem Energieverbrauch eines durchschnittlichen Fitnesscenters ist, wird dargelegt. Den Rahmen für diese Berechnung bilden die Untersuchung des menschlichen Leistungsvermögens sowie die Aufstellung einer Energiebilanz eines durchschnittlichen Fitnessstudios. Leider ist menschliche Energie nicht 1 zu 1 in elektrische Energie umwandelbar, deswegen müssen die Möglichkeiten der Umwandlung und auch die der Speicherung der erzeugten Energie gezeigt werden. Um das Endprodukt, den elektrischen Strom, präzise kalkulieren zu können, sind die vorhandenen Verluste im Laufe der Umwandlung aufzudecken. Klassisches Beispiel für aus Muskelkraft erzeugte elektrische Energie ist die Kombination aus Fahrrad und Dynamo. Diesem Prinzip wird ein Kapitel gewidmet, um anschließend auch für andere Fitnessgeräte Perspektiven oder Lösungsansätze der Energieumwandlung zu erörtern. Zwei Fitnessstudios, die bereits die Technik der Energieumwandlung auf verschiedene Geräte anwenden, werden kurz vorgestellt.

Die abschließende Berechnung der möglichen erzeugten elektrischen Energie in einem Fitnessstudio liegt der Annahme zu Grunde, dass an jedem Fitnessgerät, ob Spinning-Rad oder Hantelbank, elektrische Energie erzeugt werden kann. Die Wirkungsgrade der verschiedenen Maschinen werden zur Hilfe der Errechnung gemittelt. Der Aspekt einer möglichen staatlichen Vergütung des eingespeisten, emissionsfreien Stromes wird nicht berücksichtigt.

Um am Ende eine realistische Einschätzung wiedergeben zu können, wird hier Schritt für Schritt vorangegangen.

Wie hoch ist die Leistungsfähigkeit

eines Menschen?

Zu eingangs wird sich diese Arbeit mit der Frage der Leistungsfähigkeit eines Menschen beschäftigen. Wie hoch ist die mechanische Leistungsfähigkeit des Körpers? Wie hoch ist der Energieverbrauch des Organismus im Ruhezustand? Welche Leistungsmaxima sind vorhanden? Dass es einen Unterschied zwischen untrainiertem und trainiertem Menschen gibt, wird gezeigt. Diese und weitere Fragen werden als aller erstes geklärt, um einen Überblick über den menschlichen Körper als Energieumwandler zu erlangen.

Der Mensch führt seinem Körper notwendige Energie durch die Aufnahme chemischer Energie in Form von Nahrungsmitteln zu. Die in der Nahrung enthaltenen Kohlenhydrate und Fette werden zu * 2 1 und %1 2 verbrannt. Bei dieser Reaktion werden pro Gramm Kohlenhydrat etwa 20 kJ und pro Gramm Fett 40 kJ Energie freigesetzt. Dies ist also der Heizwert von Nahrung.

Rechnung:

In der Energiebranche werden nicht immer die SI-Einheiten verwendet. Die Energie wird in Wattstunde (Wh) angegeben, hierzu ist eine simple Umformung nötig. Um die Energie über die Dauer von einer Stunde (kWh) darzustellen, wird mit 1h/3600s multipliziert.

1kJ=1kWs=0,278 Wh

Der Mensch ist also selber schon ein kleines Kraftwerk. Die über die Nahrung aufgenommene Energie wird nicht komplett in Bewegung bzw. mechanische Energie umgesetzt. Ein Teil wird für die Lebenserhaltung benötigt, zum Beispiel: Herz und Lungenmuskel, innere Organe und das Gehirn, außerdem muss der Köper auf der Temperatur gehalten werdenunter der die Organe optimal funktionieren. Deswegen kann man sagen, dass ein Mensch im körperlichen Ruhezustand ca. 90 Watt an Leistung aufbringen muss.

Wie viel Energie, in Form von Nahrung, muss vom Organismus aufgenommen werden, um eine Leistung von 90 Watt zu erbringen?

90Wh ist die Energie, die der Körper in einer Stunde minimal braucht. Kalorie ist eine alte Maßeinheit der Energie. Die Kalorie wird in der Einheit [cal] angegeben. Mit 1cal kann man 1g Wasser um 1°C erwärmen.

Rechnung:

1000cal=1kcal=4,2kJ=1,16Wh

Der Mensch nimmt durchschnittlich 2000 kcal am Tag durch Nahrung zu sich. Dieser Wert klammert die Energiezufuhr nach sportlichen Aktivitäten jedoch aus, es ist ein Durchschnittswert.

Er steht auf jeder Lebensmittelverpackung: “2000kcal= EtB= Empfohlener täglicher Bedarf eines durchschnittlichen Erwachsenen. Der Nährstoffbedarf variiert je nach Alter, Geschlecht, körperlicher Aktivität und Gewicht. 2000kcal=2,3kWh 90W*24h=2,16kWh

Um eine Rechnung über die „Möglichkeit der energetischen Nutzung menschlicher mechanischer Energie“ aufzustellen, wird in den folgenden Kapiteln versucht einen Leistungswert zu ermitteln den jeder Besucher eines Fitnessstudios während seines Aufenthalts verbraucht bzw. ihn in mechanische Energie umwandelt. Dieser Wert ist abhängig von der Länge und Intensität des Trainings im Fitnessstudio. Später wird noch ermittelt und hinzugefügt, wie gut die technische Umwandlung der Energie funktioniert, d.h. mit welchen Verlusten zu rechnen ist.

Typische Leistungen in Fitnessstudios für untrainierte, normalgewichtige Personen sind 2,5 W/kg bei Frauen und 3,0 W/kg bei Männern. Bei einer Frau mit 65Kg sind dies ca. 150W, bei einem Mann mit 75kg 225W. Diese Werte sind Durchschnittsleistungen, wobei die 90W Standardenergieverbrauch noch korrigiert werden müssen.

Daraus folgt für die Frau eine mögliche Dauerbelastung von 80W und für den Mann 135W. Typische Werte für sehr leichtgewichtige, hochtrainierte Marathonläufer und Radrennfahrer sind 6-7W/kg, ⁱⁱⁱ also mehr als das Doppelte! Menschen, die ins Fitnessstudio gehen, sind meist sportlich veranlagt. Also sollte der Leistungswert für einen Durchschnittsmenschen noch erweitert werden.

Zur Orientierung werden typische Leistungen von Menschen und Maschinen in der Tabelle 02.01 gegenübergestellt.

Der Mensch kann eine Höchstleistung von 2 kW nur sehr kurze Zeit aufbringen. v

Bilanzierung des Energieverbrauchs

eines durchschnittlichen Fitnessstudios

Größe: 1000 m²

Nach einer Marktstudie des internationalen Sportverbandes IHRSA sind in Deutschland 8,5% der Bevölkerung in Fitnessstudios angemeldet ^vi . Das entspricht 7.000.000 Menschen. Diese sind laut der Studie auf in 5.554 bundesweiten Fitnessanlagen angemeldet. Dies entspricht einer Durschnitts-Mitgliederzahl von ca. 1200. Mit der Annahme, dass täglich ein Drittel von ihnen ins Fitnessstudio geht, können wir mit 400-500 Aktiven pro Tag rechnen.

Mitglieder: 1200

Aktive Mitglieder pro Tag ca. 500

Die Geräteanzahl ist zu vernachlässigen, da davon ausgegangen wird, dass das Mitglied an jedem Fitnessgerät Elektrizität erzeugt. Mehr Fitnessgeräte bedeuten also nicht automatisch mehr erzeugte Energie. Für die Rechnung ist also irrelevant, ob der Besucher 1Stunde und 30Min am Indoor-Fahrrad verbringt oder an einem anderen Fitnessgerät. Voraussetzung für diese Annahme ist das die Technik vorhanden ist, an jeden Fitnessgerät Elektrizität zu erzeugen. Dieses Thema wird in Kapitel „Lösungsansätze zur Energieumwandlung“ behandelt.

Energie Verbrauch eines durchschnittlichen Fitnessstudios pro Tag:

Fernsehen:

Der Energieverbrauch von LCD-Bildschirmen liegt im Bereich klassischer Röhrenfernseher bei etwa 150 bis 200 Watt. Im Vergleich zu Plasmabildschirmen, die bis zu 400 Watt

verbrauchen, sind LCD-Monitore damit sehr viel energiesparender ^vii .

Der Fernseher läuft wohl über die gesamte Öffnungszeit. 0,15 kWh* 5 Geräte=0,75kWh Verbrauch pro Stunde

Licht:

15 Watt Leistung reichen aus, um einen mittelgroßen Raum recht gut zu beleuchten. Moderne Leuchtdioden liegen heute etwa bei 140 Lumen pro Watt und übertreffen damit

bereits alle herkömmlichen Leuchtmittel. viii

Um das Durchschnitts-Fitnessstudio zu beleuchten rechnen wir mit 100 Energiesparlampen. Leider ist das Fitnessstudio über die gesamte Öffnungszeit beleuchtet. 0,015kWh * 100= 1,5kWh Verbrauch pro Stunde

DVD-Spieler, die Hi-Fi Anlage und der PC:

Der durchschnittliche Leistungsbedarf eines PCs mit Bildschirm beträgt ca. 100-150 Watt. Im

Stand-by-Betrieb reduziert sich der Leistungsbedarf auf ca. 1/3, d.h. auf ca. 50 Watt. ^ix Für diese 3 Elektrogeräte wählen wir einen abgeschätzten Wert von 1 kWh. Sie laufen während der Öffnungszeiten. DVD-Spieler, die Hi-Fi Anlage und 2 PCs = 1,5 kWh Verbrauch pro Stunde

Getränke bzw. Snackautomat:

In jedem Fitnessstudio werden gekühlte Getränke und Snacks verkauft. Diese laufen 24

Stunden am Tag. x

Getränkeautomat = 0,65 kWh*4Geräte = 2,6Kwh Verbrauch pro Stunde

Klimaanlage:

Bei etwa 20 °C ist der Mensch zu 100 % leistungsfähig. Bei 28 °C sinkt die Leistungsfähigkeit auf 70 % und bei 33 °C auf 50 %.

Daraus schließen wir, dass die Klimaanlage anspringen sollte sobald der Monatstemperaturdurchschnitt über 20°C steigt. Dies ist laut Tabelle 02 in den Monaten Juni bis September der Fall.