mini|Halbscheren-Stromabnehmer mini|Oberleitung an Portalmasten (Schweizerische Bundesbahnen) mini|Fahrwerk einer amerikanischen Doppellokomotive PRR DD1 aus dem Jahr 1911 mit zwei großen Elektromotoren und Stangenantrieb
Die Geschichte des elektrischen Antriebs von Schienenfahrzeugen behandelt die historischen Abläufe und Entwicklungsschritte bei dessen Einführung. Neben den ersten Anfängen und anderen richtungsweisenden Entwicklungen wird die Einführung in Ländern dargestellt, die einen besonders großen Anteil an elektrisch betriebenen Strecken haben.
Technische Voraussetzungen Für die Entwicklung elektrisch betriebener Schienenfahrzeuge waren mehrere Komponenten erforderlich:
ein zuverlässiger Elektromotor verfügbare elektrische Energie in geeigneter Form ein geeigneter Antrieb
Motorprinzip mini|Das „Barlow-Rad“ (1822)
1820 entdeckte der dänische Chemiker Hans Christian Ørsted das Phänomen des Elektromagnetismus. Bereits im gleichen Jahr veröffentlichte Michael Faraday seine Arbeitsergebnisse über „elektromagnetische Rotation“. Er konstruierte eine Vorrichtung, bei der ein elektrischer Leiter um einen festen Magneten rotierte und im Gegenexperiment ein beweglicher Magnet um einen festen Leiter.
1822 entwickelte Peter Barlow das nach ihm benannte Barlow-Rad. Der Grobschmied Thomas Davenport entwickelte 1834 in Vermont (Vereinigte Staaten) einen Kommutatormotor und erhielt am 25. Februar 1837 das erste Patent auf den Elektromotor.
Auf dem europäischen Kontinent wirkten Ányos Jedlik und Hermann Jacobi (1801–1874) in ähnlicher Weise wie Davenport an der Entwicklung des praxistauglichen Elektromotors. Jacobi stattete zudem in Sankt Petersburg 1838 ein sechs Personen fassendes Boot mit einem von ihm entwickelten 220 Watt starken Motor aus.Elektromotor von Jacobi (LEIFI). Abgerufen am 8. Januar 2021. Damit war um 1837/1838 die Grundlage für einen elektromotorischen Antrieb bekannt und bis zur anwendungstauglichen Arbeitsmaschine entwickelt.
Elektrische Energie
Die elektrische Energie war zunächst nur in Batterien verfügbar, die in entsprechendem Raum- und Gewichtsumfang mitgeführt werden mussten. Von damals bis heute hat sich dabei Zink als effektiver und gut zu verarbeitender Grundbestandteil elektrischer Batterien gezeigt. Es wurde bereits um 1720 in England in größerem Umfang gewonnen, Zinkhütten entstanden an vielen Orten, und 1805 wurde in Belgien das erste Zinkwalzwerk errichtet. Die elektrische Energieversorgung war damit prinzipiell vorhanden, jedoch aufwendig. So verwendete Hermann Jacobi eine sehr teure Zink-Platin-Batterie.
Der Kostenaufwand für eine elektrische Batterie betrug damals ein Vielfaches des Wertes der in einer Dampfmaschine für die gleiche Arbeitsleistung verfeuerten Kohle. Mit magnetischer Induktion wurde bereits ab 1832 beispielsweise von Hippolyte Pixii und Dal Negro in Generatoren Energie erzeugt, doch wurde dies zunächst nur als zum Betrieb von Lampen und für galvanische Zwecke nutzbar angesehen. Erst um 1866, als der Unternehmer Werner Siemens mit den von ihm gebauten Generatormaschinen auf Basis des dynamoelektrischen Prinzips Strom erzeugte, wurde elektrische Energie in einer Menge und Größe verfügbar, der die Idee elektromotorischer Antriebe über den Status einer interessanten Spielerei hinauswachsen ließ.
mini|Geöffneter Transformator einer Elektrolokomotive, erkennbar sind die Anzapfungen für verschiedene Schaltstufen.
Als Stromart stand zunächst nur Gleichstrom zur Verfügung, der sich zudem als einfach anwendbar zeigte und sich damit bei vielen Bahnen als „erste Wahl“ etablieren konnte. Die Geschwindigkeit konnte einfach durch Reihen- oder Parallelschaltung der Fahrmotoren und durch den Einsatz von Widerständen als Spannungsteiler geregelt werden.Ralf Roman Rossberg: Geschichte der Eisenbahn. Sigloch Edition, Künzelsau 1999, ISBN 3-89393-174-0, S. 261–320. Im oberen Geschwindigkeitsbereich wurde die benötigte Drehzahlsteigerung durch Feldschwächung erreicht. Die Fahrmotoren entwickelten somit ähnlich wie im Dampfbetrieb bei der Anfahrt, bei hohen Zuglasten und auf Steigungen die höchste Zugkraft, was sich im Bahnbetrieb als besonders günstig erwies.
Ab 1890 wurde mit der Entwicklung des Drehstromsystems und des Drehstrom-Asynchronmotors ein sehr einfacher und hoch effizienter Antrieb verfügbar. Dessen Anwendung erforderte jedoch die Verwendung dreipoliger Stromzuführungen, die aufwendig zu realisieren waren, außerdem konnten nur wenige, durch die Netzfrequenz vorgegebene Geschwindigkeiten eingestellt werden. Dennoch wurden in der Anfangszeit vielfach Versuche unternommen, Drehstrom für den Bahnbetrieb anzuwenden, in größerem Umfang jedoch letztlich nur bei der italienischen Ferrovie dello Stato zwischen 1904 und 1976.
Wesentlichen Anteil an der Verbreitung des elektrischen Antriebes bei Fernbahnen hatte die Entwicklung des Transformators, der die wirtschaftliche Übertragung der elektrischen Energie über große Entfernungen und dennoch einen ähnlich vorteilhaften Fahrbetrieb wie bei der Gleichstromzufuhr ermöglichte. Die damit verbundene Verwendung des hochgespannten Einphasenwechselstroms erwies sich zunächst für den Motorbetrieb problematisch, konnte aber mit niedrigen Frequenzen im Bereich von 15 bis 25 Hz für den Bahnbetrieb angepasst werden. Zu dieser Erkenntnis trugen ausgedehnte Untersuchungen zwischen 1905 und 1907 unter der Leitung von Robert Dahlander bei den schwedischen Statens Järnvägar bei. Daran beteiligt waren auch die AEG, die Siemens-Schuckertwerke und Westinghouse Electric, letztere in Kooperation mit den US-amerikanischen Baldwin Locomotive Works.
Antrieb Für die Kraftübertragung von der elektrischen Maschine auf die Räder musste zuerst eine geeignete Lösung gefunden werden. Das Prinzip maschinengetriebener Schienenfahrzeuge war zwar seit dem Einsatz der Dampflokomotive durch Richard Trevithick 1804 bekannt. Demzufolge verwendete C. G. Page für sein Triebfahrzeug einen Antrieb mit zwei Elektromagneten, die in wechselnder Hin- und Herbewegung mit einem Kurbelgetriebe die Räder wie mit einer Kolbendampfmaschine drehten. Diese Linie der Entwicklung wurde nicht weiter verfolgt, stattdessen entwickelten sich schnell Antriebssysteme, bei denen die rotierende Bewegung eines Elektromotors direkt oder mit Hilfe eines Getriebes auf die Antriebsräder bzw. Achsen des Fahrzeugs übertragen wurde.
Zeitliche Entwicklung Thomas Davenport in Vermont baute mit dem von ihm entwickelten Kommutatormotor 1835 ein Modell eines elektrisch angetriebenen spurgeführten Fahrzeugs auf einem einspurigen Schienenkreis von vier Fuß Durchmesser. Sein Modell war in hoher Abstraktion ausgeführt, es hatte zwei Schienen in Form von Kreisringen, die konzentrisch auf zwei Ebenen gelagert waren. Die innere, tiefergelegene Schiene diente als Fahrbahn für den Motorantrieb, die andere Schiene als reine Stromschiene. Dieser Denkansatz blieb jedoch weitgehend unbeachtet.
Der Schotte Robert Davidson (1804–1894) baute 1837 oder 1838 in Aberdeen ein elektrisches Lokomotivmodell und später eine größere, „Galvani“ genannte Lokomotive, die auf der Ausstellung der Royal Scottish Society of Arts 1841 vorgeführt und 1842 auf der Bahnstrecke zwischen Edinburgh und Glasgow erprobt wurde. Der Motor soll nach einem ähnlichen Prinzip funktioniert haben wie bei der 1851 entwickelten und weiter unten beschriebenen Lokomotive von C. G. Page. Das Fahrzeug erreichte eine Geschwindigkeit von vier Meilen pro Stunde (6,4 km/h). Die verwendete Zink-Batterie zeigte sich im Betrieb als vierzigmal teurer als der vergleichbare Aufwand für die Kohleverfeuerung. Es wird berichtet, dass die in einem Schuppen abgestellte „Galvani“ trotz ihrer erkennbaren Unterlegenheit aus Sorge um die damit entstehende Konkurrenz von Dampflok-Maschinisten zerstört wurde. Davidson erlebte noch die Eröffnung des elektrischen Betriebes auf der Tunnelbahn der City and South London Railway, was ihn dazu veranlasste, sich auf seinen Visitenkarten als „Robert Davidson. Father of the Electric Locomotive“ zu bezeichnen.
In Frankfurt am Main gelang es 1840 Johann Philipp Wagner (dem Erfinder des „Wagnerschen Hammers“), einen kleinen, mit einem Elektromotor getriebenen Wagen mit Anhänger auf einem Schienenkreis von 20 Metern Umfang fahren zu lassen. Er wurde daraufhin beauftragt, eine funktionsfähige große „elektromagnetisch getriebene“ Lokomotive zu bauen, wofür ihm ein Betrag von 100 000 Gulden zur Verfügung gestellt wurde. Er scheiterte jedoch an der Umsetzung, angeblich mangels Kenntnissen über den Zusammenhang von Batteriekapazität und Antriebsleistung.
mini|links|Elektrischer Kurbeltriebmotor nach Page mini|Die batteriebetriebene Lokomotive von Charles Page (1851)
Der US-amerikanische Patentamtsangestellte Charles Grafton Page (1812–1868) begann 1850 nahe Washington, D.C. mit einem staatlichen Zuschuss von 20 000 Dollar den Bau einer von zwei Elektromotoren getriebenen Lokomotive. Die 15 Kilowatt starken „Motoren“ bestanden aus jeweils zwei Spulen mit einem darin eingelassenen Stabanker, der durch wechselweises Einschalten der Spulen wie in einer Kolbendampfmaschine hin und her bewegt wurde. Diese oszillierende Bewegung wurde mit Treibstangen auf das Treibradpaar eines dreiachsigen Wagens übertragen. Gespeist wurden die Motoren aus einer gewaltigen, 50 Elemente umfassenden Batterie, die den Wagen auf eine Masse von zwölf Tonnen brachte. Bei der Probefahrt am 29. April 1851 erreichte diese Lokomotive kurzzeitig eine Geschwindigkeit von 31 km/h, doch durchbrennende Isolierungen und unter den Erschütterungen brechende Batterieelemente (üblich waren nasschemische in zylindrischen oder quaderförmigen Glasgefäßen) führten dazu, dass die Fahrt nach 40 Minuten weit vor dem Erreichen des Ziels abgebrochen werden musste.
Erste Anwendungsversuche Wirklich anwendungstauglich wurde der elektrische Schienenfahrzeugantrieb erst mit der Einführung einer ortsfesten Stromversorgung über Stromschienen oder Fahrleitungen. Auf der Tramstrecke entlang der Kurpromenade des russischen Ostseebades Sestrorezk experimentierte Fjodor Pirozki 1875 auf einem Kilometer Länge mit dieser Form der Stromversorgung. Wie später bei der Straßenbahn Groß-Lichterfelde von Siemens wurde die Energie über die beiden Fahrschienen zugeführt. Vom 22. August 1880 an betrieb er zwölf Tage lang auf einer wie in Sestrorezk präparierten Pferdebahnstrecke einen umgebauten doppelstöckigen Pferdebahnwagen, der von einigen Verkehrshistorikern als erste elektrische Straßenbahn der Welt betrachtet wird.
mini|Elektrische Ausstellungsbahn von Siemens, Berlin 1879 mini|Original der Siemens-Ausstellungsbahn von 1879 im Deutschen Museum
Werner Siemens baute 1879 in Berlin für eine ursprünglich als Grubenbahn für die Senftenberger Stadtgrube bei Cottbus vorgesehene Strecke mit 500 Millimeter Spurweite eine zweiachsige Elektrolokomotive. Sie wurde von einem ortsfesten Dynamo über eine mittig im Gleis angebrachte isolierte Stromschiene mit Strom versorgt, während die Fahrschienen als Rückleitung des Stromkreises dienten. Diese Lokomotive zog auf der Berliner Gewerbeausstellung 1879 auf einem 300 Meter langen Rundkurs drei Wagen mit darauf montierten Holzbänken für je sechs Fahrgäste. Die Motorleistung der Lokomotive betrug 2,2 Kilowatt. Sie erreichte ohne Last eine Geschwindigkeit von 13 Kilometer pro Stunde und mit den jeweils mit sechs Personen besetzten Anhängern eine Geschwindigkeit von 6 km/h. Die Fahrtrichtung wurde durch ein Wendegetriebe geändert, da man die Drehrichtungsänderung des Motors durch Umpolen der Wicklung noch nicht kannte.