Deep Dive: Reichhöhe, Reichweite & Effizienz – Welcher Motor holt am meisten aus jeder Wattstunde?

• Mythos Reichweite
• Achtung Wissenschaft – Die wichtigsten Begriffe
• Leistungsbilanz beim E-Bike – Woher kommt der Saft und wer trinkt mit?
• Die Wirkungsgrade aller E-MTB-Motoren im Labortest
• Akkukapazität – Die unsaubere Basis
• Praxis: Reichhöhenfahrten
• Widerstand zwecklos? Leerlaufleistung: Was passiert, wenn der Motor aus ist?
• Highlights und Lowlights in unserem Deep Dive
• Die drei Säulen der Reichhöhe: Systemeffizienz, Nutzungsverhalten und Hardware-Wahl.
• Absolute Reichhöhe
• Fazit

Mythos Reichweite

Wollen wir nicht alle Spaß ohne Ende? Wie lange der Akku uns beim Biken pusht, ist einer der wichtigsten Faktoren beim E-Bike. Aber kommt ein Bike mit großem Akku immer weiter als eines mit kleinerem Akku? Wir sagen: Nein, nur Wattstunden vergleichen, reicht nicht aus! Was zählt, ist, dass das Bike mit der wertvollen Energie aus dem Akku effizient umgeht. Wir messen die Reichhöhe aller Bikes im Praxistest und zeigen in unserem Deep Dive nicht nur die Ergebnisse aus dem Motorenvergleichstest, sondern erklären euch, was ihr zu Wirkungsgraden und Energieverbrauch von E-Bikes wissen solltet.

Achtung Wissenschaft – Die wichtigsten Begriffe

Bevor wir uns in Messkurven, Wirkungsgrade und Wattstunden stürzen, fangen wir erstmal mit den wichtigsten Grundlagen an: Wer über Reichweite, Effizienz und Verbrauch spricht, muss wissen, wovon genau die Rede ist. Denn im E-MTB-Kosmos werden Begriffe wie Reichweite, Leistung oder Wirkungsgrad inflationär benutzt, oft unscharf, manchmal sogar schlicht falsch.

Damit wir nicht Äpfel mit Newtonmetern vergleichen, klären wir zuerst die zentralen Fachbegriffe. Wer verstehen will, welches Motorsystem wirklich effizient klettert, muss die Sprache der Physik sprechen, zumindest in ihren wichtigsten Vokabeln:

• Reichweite (km) : Die Reichweite beschreibt die zurückgelegte Strecke pro Akkuladung in Kilometern. Das Problem: Sie ist extrem abhängig von Geschwindigkeit, Steigung, Untergrund, Wind und Unterstützungsstufe. Nicht nur die aufwändigere Beschreibung des Fahrzyklus, auch die schwer sicherzustellende Wiederholbarkeit im Praxistest macht die Reichweite für unseren Vergleichstest weniger gut geeignet.
• Reichhöhe (hm) : Die Reichhöhe gibt an, wie viele Höhenmeter ein E-MTB mit einer Akkuladung überwinden kann. Am Berg dominiert die Hubarbeit, also die Energie, die benötigt wird, um das Gesamtgewicht aus Fahrer und Bike gegen die Schwerkraft nach oben zu bewegen. Dieser Anteil ist unabhängig von den Randbedingungen der Tests und macht die Reichhöhe zur präziseren Vergleichsgröße.
• Effizienz (keine Einheit) : Sie ist kein Messwert, sondern beschreibt ganz allgemein einen sparsamen Einsatz von verfügbaren Ressourcen zur Erzielung einer Wirkung. Beim E-MTB bedeutet das: Wie viel der im Akku gespeicherten elektrischen Energie und der vom Fahrer eingebrachten Muskelenergie tatsächlich in Vortrieb und Höhengewinn resultiert – und wie viel unterwegs in Wärme, Reibung oder interne Verluste verschwindet.
• Wirkungsgrad (%) : Der Wirkungsgrad ist eine in der Technik definierte Kennzahl für Effizienz und gibt das Verhältnis von erzielter Wirkung zum eingesetzten Aufwand an. So zum Beispiel ist der Wirkungsgrad eines E-Bike-Motors das Verhältnis der am Kettenblatt abgegebenen mechanischen Leistung zu der vom Akku bereitgestellten elektrischen Leistung. Ein Wirkungsgrad von 80 % bedeutet in diesem Fall, dass 80 % der Akkuenergie in mechanische Energie umgewandelt wird, um das Bike anzutreiben, und wiederum 20 % in Wärme umgewandelt wurden, die für uns allerdings nicht nutzbar ist

• Leistung (W) : Hier ist die Sprache vom Verhältnis einer aufgenommenen oder abgegebenen Energie zur betrachteten Zeitspanne. Die Leistung beschreibt also, wie schnell Energie umgesetzt wird. Zum Beispiel speichert ein großer Akku viel Energie, wenn diese aber nur langsam abgegeben wird, ist seine Abgabeleistung dennoch gering. Leistung entscheidet somit unter anderem darüber, wie schnell wir beschleunigen oder wie zügig wir einen Anstieg bewältigen.

• Kraft (N) : Umgekehrt ist die Gesamtenergie über einen Zeitraum gleich dem Produkt von mittlerer Leistung und Zeitspanne. Energie ist also die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, sprich, Masse bergauf zu bewegen, Schwung aufzubauen oder Widerstände zu überwinden. Im E-MTB-Kontext wird die Energie in Wattstunden (Wh) angegeben (1 Wh = 3.600 J).
• Energie (Wh oder J) : Kraft ist die Ursache für Beschleunigung oder Verzögerung und wird in Newton gemessen. Wenn wir uns mit gleichbleibender Geschwindigkeit bewegen wollen, muss die Summe aller Kräfte in der Bewegungsrichtung gleich Null sein. Um also bergauf zu fahren, benötigt es eine Antriebskraft, die der Hangabtriebskraft entgegengerichtet und – Reibungsverluste hier mal vernachlässigt – außerdem gleich groß ist. Diese Antriebskraft ist unabhängig von unserer Geschwindigkeit. Da aber die benötigte Antriebsleistung gleich Antriebskraft x Geschwindigkeit ist, brauchen wir zum Schnellerahren bergauf mehr Leistung.

Einige Beispiele für Kräfte und zugehörige Leistungen sind:

• Antriebskraft x Geschwindigkeit = Antriebsleistung
• Bremskraft x Geschwindigkeit = Bremsleistung
• Luftwiderstandskraft x Geschwindigkeit = Luftwiderstandsleistung
• Motordrehmoment („Drehkraft”) x Winkelgeschwindigkeit („Drehzahl”) = Motorleistung

• Drehmoment (Nm) : Das Drehmoment ist eine Kraft, die über einen Hebelarm wirkt, also eine „Drehkraft” um einen Drehpunkt – etwa an der Kurbel oder am Kettenblatt. Das Drehmoment bestimmt, welche maximale Steigung bewältigt werden kann. Wie schon bei der Kraft ist das Produkt aus Drehmoment und „Drehzahl” ebenfalls eine Leistung, die darüber entscheidet, wie schnell wir eine Rampe hochfahren können.
• Beschleunigung (m/s² oder km/h pro Sekunde): : Das ist das Maß für die Änderung der Geschwindigkeit pro Zeit. Sie passiert aufgrund einer Kraft und gegen die Trägheit der Masse. Beim E-MTB bedeutet das: Um das Gesamtsystem aus Fahrer und Bike zu beschleunigen, muss zusätzliche Leistung (W) aufgebracht werden – zusätzlich zur Leistung für Hubarbeit, Rollwiderstand und Luftwiderstand. Diese zusätzlich aufgebrachte Energie geht nicht verloren, sondern steckt zunächst in der erhöhten Geschwindigkeit unserer Masse. Beim Bremsen wandeln wir sie in Wärme um, beim Rollen nutzen wir unseren Schwung für die Überwindung der ohnehin vorhandenen Fahrwiderstände.

Leistungsbilanz beim E-Bike – Woher kommt der Saft und wer trinkt mit?

Quell der Freude beim E-Bike sind der Akku und der Fahrer. Aus deren Energie entsteht Freude, wenn sie uns beschleunigt oder den Berg hochfährt. Leider passiert die Energie eine Reihe von verlustbehafteten Stationen, bis sie letztlich ihren Zweck erfüllen kann. Wer verstehen will, warum zwei Bikes mit identischer Akkukapazität und gleichem Motorsystem unterschiedlich weit kommen, muss die Leistungsbilanz betrachten.

Leistungsbilanz E-Bike:

Folgen wir dem Energiefluss durch unser E-Bike, beginnt die Reise beim Akku. Dieser stellt elektrische Energie bereit. Fließt bei der aktuellen Akkuspannung [V] ein Strom [A] zum Motor, so ist das Produkt aus beiden die vom Akku abgegebene elektrische Leistung [W].

Im Motor gibt es dann einen Stromregler, der abhängig von Unterstützungsstufe, Kadenz & Co. bestimmt, wie viel Strom zum Motor fließen soll. Dieser Regler wandelt jedoch einen Teil der Akkuleistung in Wärme um und das ist wiederum die Verlustleistung des Reglers.

Mit dem verbleibenden Strom erzeugt der Motor ein Drehmoment und wenn er sich dreht auch eine mechanische Leistung. Leider wird auch im Motor wieder ein Teil der elektrischen Leistung in Wärme umgewandelt, hauptsächlich durch elektrische Widerstände in den Wicklungen.

Kleine Elektromotoren können wenig Drehmoment erzeugen, das dafür aber bei einer hohen Drehzahl. Um auf unseren Kadenzbereich von 0–140 U/min zu kommen, braucht es ein Untersetzungsgetriebe. Doch die Reibung an den Getrieberädern, Lagerstellen und Dichtungen sorgt auch im Getriebe für Verlustleistung.

Am Ende des Getriebes ist die Ausgangswelle mit dem Kettenblatt („Kettenblattwelle”). Dort wird die mechanische Ausgangsleistung unseres E-Bike-Motors gemessen.

Aber was machen eigentlich die Kurbeln? Die Kurbeln sind an einer separat gelagerten Welle („Kurbelwelle”) montiert und dienen nicht nur dem Fahrer als bewegliche Fußrasten, sondern auch dem Motorregler als „Gaspedal” und zusätzliche Leistungsquelle für unser Bike. Die Kurbelwelle ist über einen Freilauf mit der Kettenblattwelle verbunden, sodass sich das Kettenblatt auch drehen kann, wenn die Kurbeln stehen. Das passiert z. B. bei Nutzung der Schiebehilfe, wenn der Motor nachläuft oder wenn ein automatischer Schaltvorgang mit einer Kettenschaltung ausgeführt werden soll.

Ein weiterer Freilauf überträgt übrigens auch das Drehmoment des Motors auf die Kettenblattwelle. Wenn der Motor unterstützt, der Fahrer aber pedaliert, soll er natürlich nicht auch das Getriebe und den Motor mitbewegen. Dann öffnet der Freilauf und schließt erst, wenn der Motor wieder einsetzt. Und eben dieser Freilauf sorgt häufig dafür, dass das Fahren ohne Motor beim E-Bike mehr Einsatz benötigt als bei einem motorlosen MTB.

Die nutzbare mechanische Ausgangsleistung PDR wird weiter reduziert durch die Reibung des Kettentriebs (oder Riementriebs), die allerdings bei sauberer und gut geschmierter Kette und idealerweise ohne Kettenschräglauf sehr gering ausfällt.

Deutlich größer und spürbarer ist der Rollwiderstand der Reifen, dessen Höhe stark vom Reifen (Gummimischung, Profil, Karkassenaufbau), Luftdruck und Fahrergewicht abhängt. Die Verlustleistung steigt mit der Geschwindigkeit.
Eine wenig beachtete Größe ist die Verlustleistung durch Schlupf. Oft wird sie dem Rollwiderstand zugeschrieben, hat aber einen anderen Hintergrund und steigt mit der Antriebskraft und mit der Geschwindigkeit. Schlupf ist immer vorhanden, sobald ein drehendes Rad Kräfte auf den Boden überträgt. Insbesondere an der Gripgrenze, also z. B. bei losem Untergrund, kann diese Verlustleistung sehr hoch werden.

Die Verlustleistung durch Luftwiderstand steigt mit der Geschwindigkeit in dritter Potenz. Das klingt bitter und ist es auch. Allerdings ist diese Leistung vergleichsweise gering in den Geschwindigkeitsbereichen, in denen wir mit dem E-Bike bergauf fahren.

Beim MTB ist tatsächlich die Hubleistung dominant, mit der wir unsere gesamte Masse bei mehr oder weniger Geschwindigkeit gegen die Schwerkraft bergauf arbeiten. Je steiler und schneller die Fahrt ist, desto mehr Leistung brauchen wir dafür. Für die gesamte Hubenergie für einen gegebenen Berg ist es nebenbei egal, ob wir schnell oder langsam hochfahren. Bei schneller Fahrt brauchen wir zwar mehr Leistung, aber nur über einen kürzeren Zeitraum. Hier passt der immer gern gehörte Hinweis: Fahr schneller, dann dauerts nicht so lang. Aber Vorsicht: In der Praxis steigt der Luftwiderstand überproportional mit der Geschwindigkeit an.

Wenn jetzt noch Leistung übrig ist, beschleunigen wir mit dem Bike. Da viele der Verlustleistungen und die Hubleistung mit der Geschwindigkeit ansteigen, schrumpft der Leistungsüberschuss mit wachsendem Tempo. Wird die für die Beschleunigung verfügbare Leistung zu Null, erreichen wir die Höchstgeschwindigkeit für diese Fahrsituation und Leistung. Wenn die Leistung am Ende der Bilanz negativ ist, also die Widerstände größer als die verfügbare Antriebsleistung sind, werden wir langsamer, bis sich wieder eine konstant haltbare Geschwindigkeit einstellt.

Klingt das jetzt nach zu viel Verlust? Keineswegs, es ist noch genug übrig für ordentlich Fahrspaß. Die Verlustleistungen bekommen wir zwar nicht wieder, mit diesen haben wir den Planeten erwärmt 😉. Aber Schwung und Höhe bleiben uns dennoch erhalten. Und das Beste dabei: Diese können ineinander umgewandelt werden, z. B. wenn wir bergab auch ohne Treten schneller werden oder wenn wir mit ordentlich Schwung einen Anstieg hochrollen.

Um euch ein Gefühl für die Größenordnung bzw. den Durst der Gäste bei der E-MTB-Party zu geben, haben wir in der folgenden Tabelle verschiedene Fahrsituationen ohne Beschleunigung analysiert. Die Erkenntnis: Die Hubleistung ist dominant und unvermeidlich, aber zum Glück ist sie kein Verlust. Der Luftwiderstand spielt beim Bergauffahren eine geringere Rolle. Beträchtlich sind aber Rollwiderstand und Schlupf, also Augen auf bei der Reifenwahl, wenn ihr weit kommen wollt. Schaut dazu gerne in den Reifentest unseres Schwestermagazins ENDURO, bei dem wir auch den Rollwiderstand aller aktuellen Reifen im Labor gemessen haben.

Können wir nun daraus ableiten, ob wir weniger Energie brauchen, wenn wir statt der flachen Straße den steilen Trail hochfahren? Nicht direkt, aber das heben wir uns auf für einen weiteren Deep Dive für Energiespar- und Reichhöhen-Fans.

Leistungsbilanz beim E-Bike – Woher kommt der Saft und wer trinkt mit?

Mit dem geflügelten Wort „Effizienz“ kann vieles gelabelt werden. Aber was meinen wir nun beim E-MTB damit? Wir müssen dazu beantworten, was unser Ziel ist und welcher Aufwand zur Erreichung nötig ist. Für das Motorensystem ist das Ziel die mechanische Antriebsleistung und der Aufwand ist die vom Akku bezogene Leistung. Effizienz bedeutet in dem Zusammenhang also nichts anderes als das Verhältnis zwischen nutzbarer mechanischer Leistung und eingesetzter elektrischer Leistung. Genau dieses Verhältnis beschreibt der Wirkungsgrad (%). Aber wie erhalten wir nun den Wirkungsgrad des Motors?

Im Motorentest wollen wir möglichst alle Faktoren ausblenden, die nicht unmittelbar mit dem Motorsystem zusammenhängen. Wir haben darum alle Bikes mit den gleichen Reifen und mit demselben Luftdruck aufgebaut. Für die Prüfstandstests waren das MAXXIS Metropass-Reifen mit wenig Profil bei einem hohen Druck von 4 bar.

Auf dem Prüfstand wird das komplette Bike fahrfertig eingespannt und das Hinterrad mit 50 kg Nutzlast beschwert, um einen realistischen Lastfall abzubilden und ausreichend Andruck für hohe Antriebskräfte zu haben. Das Hinterrad steht dabei auf einer gebremsten Messwalze mit Reibbelag. Das sieht ähnlich aus wie beim Bremsenprüfstand von TÜV, aber eben mit nur einer Walze. Zur Simulation der Fahrerleistung wurde eine Kurbel entfernt und über einen Achsadapter an einen Prüfstandsmotor gekoppelt

Mit diesem Setup wurden verschiedene sogenannte Betriebspunkte angefahren. Dies sind Kombinationen aus einer Kadenz und Trittleistung des Fahrers mit einem geregelten Bremsmoment bzw. einer geregelten Drehzahl an der Hinterrad-Messwalze, die relevanten und zugleich realen Fahrsituationen entsprechen.

Für alle Betriebspunkte wurden folgende Daten aufgezeichnet:

• Drehzahl und Leistung von Antriebsmotor
• Drehzahl und Leistung der Messwalze
• Strom und Spannung der elektrischen Energie zum Motor

Dazu wurden Einstellparameter wie die Unterstützungsstufe und der gewählte Gang notiert.

Bezüglich der Effizienz des Motors vergleichen wir den Wirkungsgrad der Motoren nach der Formel:

Wie ihr bei der Leistungsbilanz im vorherigen Abschnitt sehen konntet, wird die Ausgangsleistung des Motors aber nicht direkt am Kettenblatt gemessen, sondern indirekt durch die Messwalze am Hinterrad.

Für unseren Wirkungsgrad bedeutet das, dass die Verlustleistungen für Kettentrieb, Rollwiderstand und Schlupf nicht mehr in der gemessenen Leistung an der Messwalze enthalten sind und darum zur Leistung an der Messwalze addiert werden müssen. Dagegen ist die Eingangsleistung des Fahrers vom Messergebnis abzuziehen. Aus diesem Grund haben wir aus den Messdaten weitere Werte berechnet, die uns die Ermittlung der Verlustleistungen bis zur Messwalze ermöglichen und darüber hinaus Informationen über Motordrehmoment und Fahrer-Drehmoment liefern.

Im Ergebnis haben wir für jedes Bike zwölf Betriebspunkte ausgewertet, von kleinen bis großen Motorleistungen.

In die Bewertung der Motoren gingen die Mittelwerte aller Betriebspunkte ein, die nicht deutliche Absenkungen zu kleinen Motorleistungen hatten, da diese im Realbetrieb wenig Bedeutung haben. Wo nicht viel geleistet wird, sind auch die absoluten Verluste gering. Ebenso haben wir offensichtliche Ausreißer entfernt, da wir keine Möglichkeit zur Wiederholung oder detaillierten Überprüfung der Messungen hatten. Leider gab es zwei Motoren in unserem Test, mit denen ein wenig plausibles Bild entstanden ist und deren Ergebnisse eher mit Vorsicht betrachtet werden müssen. Beim Shimano gab es während der Messungen Probleme mit dem Durchlaufen des Motors. Der Bosch SX hat im mittleren Leistungsbereich einen plausiblen Wirkungsgrad, an seiner oberen Leistungsgrenze fiel er aber deutlich ab.

Der Großteil der Motoren liegt in Sachen Wirkungsgrad zwischen 77 und 79 % im interessanten Betriebsbereich. Herausragend ist der maxon AIR S, weil er einerseits mit 81 % Wirkungsgrad um drei Prozentpunkte höher liegt als das gute Mittelfeld und weil er andererseits auch bei niedrigen Leistungen deutlich sparsamer ist als die Mitbewerber.

Akkukapazität – Die unsaubere Basis

Über die Verbraucher und Verluste beim E-Bike-Antrieb haben wir euch jetzt auf Stand gebracht. Aber wie viel Energie steht uns eigentlich für unsere Trail-Party zur Verfügung?

Kein Geheimnis dürfte sein, dass klangvolle Marketingzahlen nicht immer die technische Realität treffen. Das kennt man bereits von Gewichten für Bikes und Komponenten, die sich auf der eigenen Waage meist höher darstellen, als vom Hersteller angegeben.

Die gleiche Vermutung haben wir deshalb auch für den Akku, bei dem wir die Kapazitätsangabe bereits in unserem Artikel Der unfaire Wettbewerb hinterfragt haben. Auch wenn wir zu diesem Thema in einem weiteren Deep-Dive-Artikel detaillierter eingehen werden, geben wir euch hier bereits die wichtigsten Fakten.

Wie kann die Akkukapazität bestimmt werden?

1. Ich vertraue der Herstellerangabe des Energieinhalts in Wh.
2. Man berechnet die nominelle Akkukapazität aus Akkuspannung [V] mal Nennkapazität [Ah].
3. Man misst mit einem externen Energiemessgerät, welche Ladeenergie [Wh] für eine Vollladung von 0 bis 100 % notwendig ist. Das beinhaltet bereits Ladeverluste des Ladegerätes und des Akkus, deren genaue Größen nicht bekannt sind.
4. Man misst beim Fahren, wie viel Energie bei einer Fahrt von 100 % bis 0 % Ladezustand vom Akku zum Motor fließt. Wir nennen das die Entladeenergie [Wh].

Relevant für unsere Reichhöhe ist eigentlich nur die reale Entladeenergie. Leider ist diese nicht leicht zu messen, aber für euch haben wir keine Aufwände gescheut und das Prozedere bei einigen Motorsystemen einfach durchgeführt.

Das Ergebnis? Den Akkus von Bosch, Avinox und Specialized konnten wir nur zwischen 85 % und 90 % ihrer angegebenen Kapazität entlocken, wobei die Bosch-Angabe besser passte als die von S-Works. Bei einer anderen Betrachtung ergibt sich ein einheitliches Bild: Bei allen drei Systemen war die Ladeenergie 120–122 % der Entladeenergie. Offenbar lässt die Physik weniger Interpretationsspielraum als das Marketing.

Fairerweise muss man den Herstellern zugestehen, dass die Entladeenergie unter anderem vom Entladestrom sowie der Temperatur abhängig ist. Auch bei welcher Spannung ein Akku als leer bewertet wird, wird vom Hersteller festgelegt. Insofern: Stay tuned, we will find out!

Praxis: Reichhöhenfahrten

Und wie zeigt sich all das nun in der Praxis? Wie schon im letzten großen E-Mountainbike-Vergleichstest haben wir keine Mühe gescheut, alle elf im Test befindlichen Motorsysteme in der Praxis komplett bis zur systemseitigen Abschaltung leerzufahren.

Das sorgt für klare Erkenntnisse hinsichtlich

1. praxisrelevanter Reichhöhen
2. der Dauerleistungsfähigkeit des Systems
3. der Effizienz von Antrieb und Bike
4. des Verhaltens mit niedrigem SOC-Bereich.

Jedes Bike haben wir mit 100 % geladenem Akku so oft die immer gleiche asphaltierte Teststrecke hochgefahren, bis der Akku leer war. Dabei wurde die höchste dauerhafte Unterstützungsstufe benutzt und zum Herunterfahren haben wir den Motor ausgeschaltet. Unsere Randbedingungen im Einzelnen:

• Streckenlänge: 2,47 km
• Durchschnittliche Steigung: 8,6 %
• Höhenmeter pro Auffahrt: 212 hm
• Fahrereigenleistung: 150 W
• Fahrergewicht 72 kg
• Kadenz: 75 U/min
• Einheitsreifen:
  Vorne MAXXIS HighRoller, MaxxGrip, DD
  Hinten MAXXIS Minion DHR II, MaxxTerra, DD /li>
• Reifendruck V/H: 1,5/1,8 bar/li>

Den realen Einfluss des Bikes haben wir also mitgemessen, die Bedingungen bis auf das unterschiedliche Bikegewicht jedoch gleichgehalten.
Wichtigste Neuerung zu den bisherigen Reichhöhenfahrten: Verwendung von Einheitsreifen. Denn wie sich im Reifentest vom Schwestermagazin ENDURO wieder mal gezeigt hat, sind die Unterschiede im Rollwiderstand enorm, durch Einheitsreifen kann diese Variation eliminiert werden. Herauskommen homogenere Ergebnisse im Wirkungsgrad, was dafür spricht, dass die Antriebseffizienz besser von den Fahrwiderständen isoliert wurde.

Bei Avinox, Bosch und S-Works haben wir ein Energiemessgerät eingeschleift und während der Fahrt die verbrauchte Energie für jeden 10-%-Verbrauch nach Anzeige des E-Bike-Displays notiert.

Zur Bewertung der Effizienz eines E-Bikes im Ganzen müssen wir auch wieder Nutzen und Aufwand benennen. Gehen wir mal davon aus, wir wollen viele Tiefenmeter fahren und müssen darum vorher Höhenmeter erklommen haben, bis uns die heilige Mutter der gesegneten Motor-Unterstützung verlässt. Das Ziel sind also viele Höhenmeter. Was setzen wir ein? Die Akku-Energie ist eine mögliche Maßzahl. Aber spüren können wir diese nicht wirklich, dafür ist Strom zu billig. Beim Bikekauf spielt die Akkugröße schon spürbarer im Preis mit. Aber im täglichen Handling mit dem Bike macht sich das Akkugewicht bemerkbar, das den größten Beitrag zum Mehrgewicht eines E-Mountainbikes darstellt. Wenn wir von effizienter Erreichung von Reichhöhe sprechen, dann ist das Verhältnis von Reichhöhe zu Akkugewicht eine mögliche Größe.

Zur Auswertung haben wir auch bei diesem Test also nicht nur die absoluten Reichhöhen ermittelt, sondern diese zur Berechnung von Effizienzkennzahlen genutzt, indem wir zusätzlich das Systemgewicht mit einbezogen haben und den Nutzen zur Akkuenergie bzw. dem Akkugewicht ins Verhältnis gesetzt haben. Zunächst werfen wir aber einen Blick auf die absoluten Reichhöhen.

Bosch (CX & CX-R) und Avinox zeigen mit knapp 2.000 m die höchsten Reichhöhen, dicht gefolgt vom TQ-Motor mit 1.900 m und dem größten Akku bei den Light-Assist-Bikes. Klar, der TQ-Fahrer muss sich für seine Tour etwas mehr Zeit nehmen und auch insgesamt mehr eigene Energie einbringen, da er die gleiche Leistung über einen längeren Zeitraum treten muss. S-Works kann trotz großem Akku nicht mit der absoluten Reichhöhe punkten, dafür aber mit der größten Geschwindigkeit, immer hart an der Regelgrenze von 25 km/h und das bis zum Schluss.

Erwartungsgemäß befinden sich die Systeme mit den kleinen Akkus in Sachen Reichhöhe auf den hinteren Rängen. FAZUA ist hier noch als guter Kompromiss hervorzuheben, da eine gute Reichhöhe von 1.430 m bei ebenfalls noch guten 15 km/h Geschwindigkeit erreicht wird. Der maxon kommt mit 1.000 m am wenigsten weit, dafür ist er aber mit 19 km/h sehr schnell. Hier kann vermutlich mit langsamerer Fahrweise noch viel Reichhöhe gewonnen werden. Zur Erinnerung: Wir haben jeden Motor in der höchsten Unterstützungsstufe gefahren. Die Geschwindigkeit stellt sich also abhängig vom Unterstützungsfaktor und der maximalen Leistung des Motors ein.

Das Testprozedere entspricht im Grunde dem des großen E-MTB-Vergleichstests 2025 – dort findet sich eine detaillierte Beschreibung zum Prinzip des Ganzen.

Die Berechnung der Wirkungsgrads-Reichhöhe funktioniert in aller Kürze zusammengefasst so:

Wir berechnen die Hubenergie für die absolvierte Reichhöhe (Gewichtskraft von Fahrer und Bike x Reichhöhe) und subtrahieren davon die Eigenenergie des Fahrers (150 W x Fahrzeit bergauf). Das ist der Nutzen, den uns das E-Bike im Endeffekt geliefert hat.

Inwiefern die Geschwindigkeit ein Nutzen ist, ist sicher eine der wichtigsten Fragen bei der Entscheidung für ein Motorsystem und die Wahl der Fahrstufe, die jeder für sich selbst beantworten muss. Wir können der Geschwindigkeit jedoch keinen zahlenmäßigen Nutzen zuweisen.

Für den Wirkungsgrad bzgl. der Reichhöhe setzen wir die Hubenergie nun ins Verhältnis zur im Akku gespeicherten Energie und erhalten den Wirkungsgrad des Bikes bei der individuell erreichten Geschwindigkeit. Also wie viel Hubenergie ein Bike aus einer Wattstunde Akku-Energie erzeugen kann. Wir verwenden für den Vergleich die Ladeenergien der Akkus, da diese das bislang konsistente Verhältnis zu den gemessenen Entladeenergien haben und sie für alle Akkus verfügbar sind.

Als zweite Effizienz kommt die Kennzahl ins Spiel und wir setzen die erzielte Reichhöhe ins Verhältnis zum Akkugewicht. Diese Kennzahl berücksichtigt, dass Akkugewicht einen wesentlichen Beitrag zum Systemgewicht und damit zum Handling leistet. Zwar bleibt die Integration ins Gesamtsystem unberücksichtigt, trotzdem erlaubt diese Relation eine Aussage darüber, wie uns die zu transportierende Akku-Power zu langem Fahrspass verhilft.

Energetisch den besten Wirkungsgrad haben hier die Systeme von Avinox und S-Works. Dann folgt ein breites Mittelfeld mit wenig Differenzierung – außer beim Bosch SX, den wir offenbar nicht in seinem effizientesten Betriebspunkt verwendet haben.

Auffällig wird das Bild beim Bezug der gesamten Reichhöhe auf das Akkugewicht: Vor allem die leichteren Systeme generieren relativ viele Höhenmeter pro Kilogramm Akku. Das verschiebt die Perspektive – absolute Reichhöhe ist eben nicht gleich Effizienz im Verhältnis zum Gewicht. Auffällig ist, dass bei dieser Kennzahl die langsamen Systeme besser abschneiden. Könnte dies an dem, zumindest bei einer längeren Fahrzeit, höheren Anteil an Eigenenergie des Fahrers liegen?

Um das zu klären, werfen wir noch einen Blick auf die Energiebilanz für zwei hypothetische Steigungsfahrten über je 1.000 Höhenmeter, die mit 8,6 % Steigung und 150 W Fahrerleistung an die Reichhöhentests angelehnt sind. Sie unterscheiden sich in der Motorpower und damit auch in der erreichten Geschwindigkeit: Letztere haben wir gleich der höchsten und der kleinsten bei den Reichhöhenfahrten erreichten Geschwindigkeit gewählt.

Für beide Szenarien haben wir zunächst den theoretischen Energiebedarf ermittelt. Hierbei fällt auf, dass für das Überwinden der Höhe immer dieselbe Energie benötigt wird. Auch der Energiebedarf für Rollreibung ist nahezu gleich. Von der Geschwindigkeit abhängig sind allerdings die Verlustenergien durch Schlupf, der abnimmt, und durch Luftwiderstand, der deutlich zunimmt. Die Differenz ist jedoch mit 33 Wh oder 9 % überraschend gering.

Der Blick auf die Seite der Energiebereitstellung zeigt schon deutlichere Unterschiede. Durch die bei doppelter Geschwindigkeit halb so lange Fahrtzeit muss der Fahrer bei gleicher Eigenleistung nur etwa die Hälfte der Energie selbst aufbringen. Dafür muss der Motor sowohl den weggefallenen Anteil des Fahrers als auch den Mehraufwand für die höhere Geschwindigkeit aufbringen. In der Motorleistung ist das schon ein deutlicher Unterschied: Für die langsamen 12,6 km/h genügen 233 W Motorleistung, für 24,8 km/h braucht es schon 673 W.

Wie kann ich nun Energie einsparen? Aus Basis der abgebildeten Energiebilanz für 8,6 % Steigung haben wir berechnet, wie viel Energie sich mit zwei einfachen Maßnahmen sparen lässt.

• 5 % weniger Systemgewicht sparen 4,9 % / 4,4 % Energie (bei 12,6 / 25,8 km/h).
• Leicht rollende Reifen sparen bis zu 9,4 % / 8,5 % Energie (bei 12,6 / 25,8 km/h) im Vergleich zu sehr schlecht rollenden Reifen (z. B. MAXXIS ASSEGAI mit DD-Karkasse & MaxxGrip Gummi vs. EXO-Karkasse mit MaxxTerra Gummi)

Die Reichhöhe erhöht sich etwa in dem Verhältnis, wie Energie eingespart wird.

Als Quintessenz zur Reichhöhe und Effizienz sehen wir die folgenden Erkenntnisse:

1. Bei identischem Bike und identischer Motor-Nutzung führt ein großer Akku zu mehr Reichhöhe. Das ist aber wenig überraschend.
2. Ein guter Wirkungsgrad des Motors ist essentiell, um aus dem Mehrgewicht des Bikes möglichst viel Unterstützung zu generieren.
3. Neben dem Wirkungsgrad des Motors beeinflusst das Nutzungsverhalten maßgeblich die Reichhöhe. Weniger Unterstützung bedeutet also mehr Reichhöhe.
4. Mit kleinen Motoren, aber auch mit kleinerer Motorunterstützung bei starken Motoren, erhöht sich hingegen die Reichhöhe bei gleicher Akkugröße. Dafür nimmt die Geschwindigkeit ab und der Fahrer muss selbst insgesamt mehr Energie einbringen, ohne sich dabei mehr anstrengen zu müssen.
5. Umgekehrt betrachtet kostet mehr Geschwindigkeit beim Klettern nur wenig mehr Energie, man verringert aber stark die Möglichkeit, mit eigener Energie die Tour zu verlängern.

Widerstand zwecklos? Leerlaufleistung: Was passiert, wenn der Motor aus ist?

Wer kennt nicht das Gefühl, gegen eine Wand zu treten, wenn der E-Bike-Motor mit oder ohne unsere Anweisung den Service einstellt? Das passiert meist, wenn der Motor an der 25-km/h-Grenze abschaltet, der Akku leer ist oder man freiwillig den Motor ausmacht. Sind E-Bikes ohne Motorunterstützung wirklich so viel schwerer zu fahren als Bikes ohne Motor? Das Mehrgewicht der Bikes ist unbestreitbar und erhöht die nötige Hubleistung bergauf. Aber sind die Bikes nicht auch in der Ebene schwerer zu treten? Natürlich haben wir auch das für euch untersucht.

Für diesen Zweck haben wir das Leerlaufdrehmoment gemessen, das nötig ist, um die Kurbeln bei abgeschaltetem Motor zu bewegen. Mit dem Bike im Montageständer haben wir dazu das Hinterrad schnell angedreht und die Kurbeln langsam nach vorne gedreht. Immer so, dass der Freilauf am Hinterrad noch zu hören war. Wir mussten die Kraft zur Überwindung der Reibung der Kurbelwelle und der Kette im Leerlauf aufbringen, ohne das Hinterrad anzutreiben. Um es vorweg zu nehmen: Der Anteil der Kettenreibung ist dabei so gering, dass wir uns für den Vergleich das Entfernen der Kettenführung und Kette gespart haben.

Mit einem Kraftmessgerät haben wir eine Schnur von einer 200 mm großen Fadenspule abgezogen, die wir an die Kurbelschraube adaptiert haben. Über Kraft und den Spulenradius als Hebelarmlänge haben wir das Drehmoment berechnet. Aus den Drehmomenten wird durch Multiplikation mit der Winkelgeschwindigkeit (entsprechend einer Kadenz von 75 U/min) eine typische Leerlaufleistung berechnet.

Zum Vergleich haben wir ein gut eingelaufenes und geschmiertes Bio-Bike (ohne Motor) gemessen.

Im Ergebnis erkennt man große Unterscheide zwischen den Motoren, aber auch, dass sich bei den meisten die Leerlaufleistung im vernachlässigbaren Bereich bis 2 W abspielt. Trotzdem ist der Unterschied zum Bike ohne Motor sehr deutlich erkennbar. Zum Vergleich: 1 kg mehr Gewicht am Bike benötigen in unserem Uphill-Szenario bei 8,6 % Steigung ca. 3 W mehr Hubleistung. Um die Leerlaufleistung eines Avinox oder Pinion bei dieser Steigung zu kompensieren, müsste das Bike ca. 2 kg leichter sein.

Woher kommen diese Leerlaufmomente und wie relevant sind sie?

Ursächlich für die hohe Reibung sind zum einen eine Vielzahl von straff sitzenden Dichtungen, die den Motor vor Schmutz schützen müssen. Im Vergleich zu einem normalen Tretlager sind die Kosten eines Motors sehr hoch, ein Kompromiss bei der Abdichtung wäre uns sicher nicht recht.

Zum anderen kommt die Reibung der Motorkupplung hinzu, die wir nur im Leerlauf überwinden müssen, also dann, wenn der Motor nicht dreht. Die Hersteller verwenden hier diverse Arten von Freiläufen mit mehr oder weniger Vorspannung der kuppelnden Elemente und mit unterschiedlich zähen Fetten. Mehr Reibung ist hier auch zum Teil erwünscht, um das lästige Klopfen aus dem Motor zu verringern, das bei manchen Modellen beim Rollen bergab noch zu hören ist.

Pinion hat hier mit dem im Motor integrierten Getriebe eine Sonderrolle. Durch den spezifischen Aufbau des zweistufigen Schaltgetriebes ist die Leerlaufreibung abhängig von Gangbereich, in dem sich das Getriebe befindet. Für die bei steileren Anstiegen relevanten Gänge 1–4 liegt die Verlustleistung im Mittelfeld des Testfeldes.

Im Endeffekt gelingt Bosch, S-Works und FAZUA mit unter 2 W Leerlaufleistung hier der beste Kompromiss. Am anderen Ende des Feldes fallen Pinion und insbesondere Avinox auf. Die typische Nutzergruppe wird dieses Manko aber vermutlich selten wahrnehmen, weil sie weniger Wert auf das Fahren ohne Motorunterstützung legen dürfte, als die Nutzer eines Light-Assist-E-Bikes.

Highlights und Lowlights in unserem Deep Dive

Die Säulen der Reichhöhe: Systemeffizienz, Nutzungsverhalten und Hardware-Wahl.

System Effizienz

Mit seinem Wirkungsgrad von 81 % setzt der maxon AIR S Maßstäbe, indem er drei Prozentpunkte über dem soliden Mittelfeld liegt.
Ausreißer gibt es vor allem im Off-Modus bei der Leerlaufleistung, wo Avinox seinen Gewichtsvorteil in Reibleistung aufwiegt.

Nutzungsverhalten oder der Faktor Mensch & Zeit

Reichhöhe ist ein Tauschgeschäft. Wer mit seinem Bike weiterkommen will, muss das mit Zeit und Eigenleistung bezahlen. Das Kalkül ist simpel: Langsameres Klettern erzeugt weniger Luftwiderstand und bindet die eigene Power länger ein, ohne dass man dabei zwangsläufig mehr schwitzen muss.
Besonders deutlich wird das bei den Light-Assist-Systemen wie TQ oder FAZUA, die mit kleineren Akkus durchaus gute Reichhöhen erzielen, aber dafür etwas mehr Zeit brauchen.
Am anderen Ende des Spektrums zeigt der S-Works 3.1 mit dauerhaft 25 km/h bei der Reichhöhenfahrt, dass mehr Unterstützung auch den größten Akku schneller leert.
Der Bosch SX ist trotz einer mittelhohen Maximalleistung der langsamste Motor der Reichhöhenfahrt. Ursächlich ist seine Charakteristik, die vom Fahrer mehr Eigenleistung fordert, um dem Motor sein Maximum zu entlocken. Trotz mäßigem Wirkungsgrad ist er damit aber immerhin sehr sparsam.

Hardware-Wahl

Unsere Tests und Berechnungen zeigen, dass Reifen und Luftdruck die Reichhöhe stark beeinflussen. Darum haben wir mit Einheitsreifen getestet und berechnet, wie sich die Reifenwahl auf die Reichhöhe auswirkt.
Wer eine maximale Höhenmeter-Ausbeute will, muss nicht nur den Motor, sondern das gesamte System vom Rollwiderstand bis zum Systemgewicht betrachten. Zwischen gut und eher schlecht rollenden Reifen liegen hier schon mal 10 % Reichhöhendifferenz.

Absolute Reichhöhe

Die Bosch CX- und CX-R-Motoren mit 800-Wh-Akku zeigen zusammen mit dem Avinox die höchsten Reichhöhen von knapp 2.000 hm. Avinox ist hier 2–3 km/h schneller, dafür fehlen ihm ein paar Höhenmeter.

Im Gegensatz dazu steht der maxon AIR S mit der geringsten Reichhöhe. Gleichzeitig hat maxon aber mit dem leichtesten Akku und viel eingesetzter Motorpower das meiste Potential, um mit weniger Speed oder einem größeren Akku zusätzliche Höhenmeter zu fahren.

Fazit

Die wichtigste Erkenntnis aus unserem Deep Dive: Reichweite beim E-MTB ist kein reines Akku-Thema. Wer nur auf Wattstunden schaut, greift zu kurz. Entscheidend ist, wie effizient ein System mit der verfügbaren Energie umgeht und wie der Fahrer sie einsetzt. Es gibt nicht den besten Motor, sondern nur das beste System für euer Fahrprofil.
Die Wahl zwischen maximalem Schub (Avinox) und optimalem Handling bei hoher relativer Effizienz (TQ/maxon) ist eine Entscheidung von persönlicher Vorliebe und eigener Fitness. Sind die absolute Reichhöhe und lange Touren eure Priorität, sind auch entnehmbare Akkus oder große Range Extender eine gute Option. Für alle Vorlieben beim energiegeladenen Biken gilt aber: Know your party guests! Wer weiß, wen er bewirtet, der kann besser haushalten.

Kabelbruch und Akkubrand!

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Text: Ingo Karb, Benedikt Schmidt, Lars Engmann Fotos: Peter Walker, Benedikt Schmidt