Die Geschichte des elektrischen Antriebs von Schienenfahrzeugen

Die Geschichte des elektrischen Antriebs von Schienenfahrzeugen behandelt die historischen Abläufe und Stationen bei dessen Einführung. Bevorzugt dargestellt werden hier außer den ersten Anfängen die Entwicklungen in Ländern, die einen besonders großen Anteil oder Umfang an elektrisch betriebenen Strecken haben, aber auch weitere Entwicklungen, die bis heute richtungsweisend sind.


Halbscheren-Stromabnehmer


Oberleitung an Portalmasten (Schweizer Bundesbahnen)


Fahrwerk einer amerikanischen Doppellok aus dem Jahr 1911 mit zwei großen Elektromotoren und Stangenantrieb

Technische Vorbedingungen

Für die Entwicklung elektrisch betriebener Schienenfahrzeuge waren vor allem drei effektiv funktionierende Komponenten erforderlich:

ein elektromotorischer Antrieb,
Verfügbarkeit elektrischer Energie in passender Form und Menge,
ein entwickeltes Schienenfahrzeugsystem.

Motorprinzip


Das „Barlow-Rad” (1822)

1821 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 US-amerikanische Grobschmied Thomas Davenport entwickelte 1834 in Vermont 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.[1] Damit war um 1837/1838 die Grundlage für einen elektromotorischen Antrieb bekannt und auch bis zur anwendungstauglichen Arbeitsmaschine entwickelt.
Elektrische Energie
→ Hauptartikel: Bahnstrom

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 Strom erzeugte, wurde elektrische Energie in einer Menge und Größe verfügbar, der die Idee elektromotorischer Antriebe über den Status einer interessanten Spielerei hinauswachsen ließ.


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.[2] 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 als für den Motorbetrieb problematisch, konnte aber mit niedrigen Frequenzen im Bereich von 15 bis 25 Hertz für den Bahnbetrieb adaptiert werden. Zu dieser Erkenntnis trugen unter anderem 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-Schuckert-Werke und Westinghouse Electric, letztere in Kooperation mit den US-amerikanischen Baldwin Locomotive Works.[3]

Es gab weder zeitlich noch (außer im Falle der italienischen Bahnen) regional spezifische historische Unterschiede in der Anwendung der einzelnen Stromarten.
Angetriebene Schienenfahrzeuge

Das Modell beziehungsweise das Vorbild maschinengetriebener Schienenfahrzeuge war zwar seit dem Einsatz der Dampflokomotive durch Richard Trevithick 1804 präsent, jedoch hat es den Anschein, dass sich der elektrische Antrieb von Schienenfahrzeugen kaum auf diese Entwicklungen stützen musste. Zwar kommt das von C. G. Page entwickelte Triebfahrzeug mit zwei Elektromagneten, die in wechselnder Hin- und Herbewegung von Eisenstangen und Kurbelgetrieben die Räder wie in einer Kolbendampfmaschine drehten, dem bis dahin bekannten Lokomotivmodell sehr nahe, jedoch wurde diese Linie für die Entwicklung elektrischer Schienenfahrzeuge nicht weiter verfolgt. Während sich zudem die dampfgetriebene Eisenbahn in ihrem Fahrzeugbestand stark an den zuvor für den Fernverkehr benutzten Postkutschen orientierte und für die ersten Lokomotiven beispielsweise die großen Holzspeichenräder der Postkutschen übernommen worden waren, war die Ausführung der ersten betriebstauglichen und der regulär betriebenen elektrischen Bahnen erkennbar mehr von zunächst muskelkraftgetriebenen Bergwerks-Grubenbahnen und von Pferde-Straßenbahnen für den Nahverkehrs-Bereich geprägt.
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, wobei jedoch keine weiteren Lasten gezogen oder Passagiere befördert werden konnten. 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.


Elektrischer Kurbeltriebmotor nach Page


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 „reciprocating“-Motoren bestanden prinzipiell aus jeweils zwei Spulen mit einem darin eingelassenen Stabanker. Dieser wurde durch wechselweises Einschalten der Spulen wie in einer Kolbendampfmaschine hin und her bewegt. Diese „reciprocating-“ bzw. oszillierende Bewegung wurde mit einer Kurbelstange auf die Treibräder eines dreiachsigen Wagens übertragen. Gespeist wurden die Motoren aus einer gewaltigen, 50 Elemente umfassenden Batterie, die den Wagen auf ein Gewicht 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 führten dazu, dass die Fahrt nach 40 Minuten weit vorm Erreichen des Ziels abgebrochen werden musste.
Versuche und Schwierigkeiten

Wirklich anwendungstauglich wurde der elektrische Schienenfahrzeugantrieb erst mit der Einführung einer ortsfesten Stromversorgung über Fahrschienen oder Fahrleitungen. Auf der Tramstrecke entlang der Kurpromenade des russischen Seebades Sestrorezk experimentierte Fjodor Pirozki 1875 auf 1 km Länge mit dieser Form der Stromversorgung. Wie später bei Siemens in Lichterfelde wurde die Energie über die beiden Fahrschienen zugeführt. Im September 1880 betrieb er knapp einen Monat lang auf einer wie in Sestrorezk präparierten Pferdebahnstrecke einen umgebauten doppelstöckigen Pferdebahnwagen, der von einigen Verkehrshistorikern als erste elektrische Straßenbahn der Welt betrachtet wird.


Elektrische Ausstellungsbahn von Siemens (1879)


Nachbau der Siemens-Ausstellungsbahn von 1879

Werner Siemens baute 1879 in Berlin eine ursprünglich als Grubenbahn für Cottbus vorgesehene Schienenstrecke mit 500 Millimeter Spurweite und 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 damaligen Gewerbeausstellung 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 Wechselgetriebe geändert, da man die Drehrichtungsänderung des Motors durch Umpolen der Wicklung noch nicht kannte.[4] In vier Monaten wurden mit diesem Zug 90.000 Passagiere befördert und später erfolgten weitere Ausstellungsfahrten in Brüssel, London, Kopenhagen und Moskau, wodurch die Brauchbarkeit des elektrischen Antriebes für die Eisenbahn einer breiten Öffentlichkeit gegenüber bewiesen werden konnte. Von Mai bis September 1881 fuhr der Zug im Rahmen der Allgemeinen Patent- und Musterschutz-Ausstellung im Palmengarten Frankfurt im Frankfurter-Westend.[5] Die Maschine ist seit Mai 1905 im Deutschen Museum in München ausgestellt.

Ähnliche Ausstellungsbahnen wurden bald darauf auch anderenorts präsentiert. Auf der Wiener Gewerbeausstellung 1880 ließ Béla Egger, ein früherer Mitarbeiter von Werner Siemens, auf einer 200 Meter langen Strecke einen motorisierten Plattformwagen für fünf bis sechs stehende Personen und einen angehängten Sitzwagen hin und her fahren.[6] Dabei wurden in dreieinhalb Monaten immerhin 26.000 Fahrgäste befördert. Thomas Alva Edison soll im selben Jahr mit einem kleinen zweiachsigen Förderwagen wie bei Siemens bereits 65 km/h erreicht haben. .[2]


Elektrische Straßenbahn von Siemens mit Stromzuführung über die beiden Fahrschienen (1881)

So trat Siemens 1880 mit dem Plan einer elektrischen Hochbahn durch die Leipziger Straße an die Stadt Berlin heran. Da dies jedoch abgelehnt wurde, baute Siemens in Lichterfelde bei Berlin die Elektrische Straßenbahn Lichterfelde–Kadettenanstalt, die am 16. Mai 1881 den Probebetrieb aufnahm. Auf der 2,5 km langen Strecke verkehrten Wagen mit Platz für 26 Personen, die über Spiraldrahtschnüre beide Achsen antrieben und bei einer Leistung von 5 PS eine Maximalgeschwindigkeit von 35 bis 40 km/h erreichten.[7][8] Siemens selbst bezeichnete sie nicht als Straßen-, sondern als „elektrische Eisenbahn“ und führte aus, sie könne „keineswegs als Muster einer elektrischen Bahn zu ebener Erde betrachtet werden; sie ist vielmehr eine von ihren Säulen und Längsträgern herabgenommene und auf den Erdboden verlegte Hochbahn aufzufassen“.[9] Wegen der Gefahr von Stromschlägen bei Menschen und Zugtieren wurde die Bahnstrecke in Lichterfelde mit Zäunen abgesperrt und Unbefugten das Betreten des Bahnkörpers untersagt.


Die erste Oberleitung hing seitlich und bestand aus zwei nach unten offenen U-Profilen (Schlitzrohrfahrleitung); Paris 1881


Straßenbahn in Frankfurt (FOTG, 1884)

Um die Gefahr durch Stromunfälle zu vermeiden, konstruierte Werner von Siemens die erste Oberleitung und stellte sie im Rahmen der Exposition Internationale d’Électricité 1881 im Zentrum von Paris vor. Er richtete eine 500 m lange Demonstrationsstrecke ein, die von der Place de la Concorde zum Palais de l’Industrie genannten Ausstellungspalast auf dem Gelände des heutigen Grand Palais führte und bei der der Strom erstmals über eine Oberleitung zugeführt wurde. Es handelte sich um eine Schlitzrohrfahrleitung aus Messing,[10][11] bei der man auf die Schienen als Hin- und Rückleiter ganz verzichtete und stattdessen zwei nebeneinander liegende geschlitzte Rohre als Hin- und Rückleiter anwendete. In den Rohren verliefen Schlitten, die durch ein biegsames Kabel vom Fahrzeug nachgeschleppt wurden.[12]

1882 elektrifizierte Siemens probeweise eine schon bestehende Pferdebahn zwischen Charlottenburg und dem Ausflugslokal Spandauer Bock mit einer dezenteren, technisch jedoch ähnlich komplizierten Ausrüstung. Auf zwei Drähten lief ein kleiner Kontaktwagen, der durch einen Motor vor dem Fahrzeug hergezogen und mit ihm durch ein biegsames Kabel verbunden wurde.[12] Dabei übertrugen die Rollen des Kontaktwagens den Strom für die Motoren sowohl des Kontaktwagens als auch des Fahrzeugs. Obwohl die Erfahrungen auf der Strecke nicht befriedigten, stattete er in den nächsten Jahren drei neue Bahnstrecken nach fast demselben Prinzip aus, 1883 die Lokalbahn Mödling–Hinterbrühl, 1884 die Tram von Frankfurt nach Offenbach und 1888 die Tram am Genfersee bei Montreux.

In Brighton nahm am 4. August 1883 Volk’s Electric Railway als älteste elektrische Straßenbahn in Großbritannien den Betrieb auf. Sie wurde von Magnus Volk, einem Sohn deutscher Einwanderer, gebaut. Da die Bahn ohne Oberleitung konstruiert war, wurde sie über die beiden 610 mm auseinander liegenden Schienen bei 50 V Spannung mit Strom versorgt. Dieser wurde mit einem 2 PS starken Gasmotor erzeugt,[13] die Höchstgeschwindigkeit lag bei sechs Meilen pro Stunde. Noch im selben Jahr folgte mit der Giant's Causeway Tramway in Nordirland eine zweite elektrische Ausflugs-Straßenbahn, die die weltweit erste, von einem Wasserkraftwerk versorgte elektrische Bahn war. Sie hatte bereits eine seitliche Stromschiene und führte mit 290 bis 360 V eine ungleich höhere Spannung. Als 1895 ein Fahrradfahrer infolge eines Stromunfalls starb, musste die Spannung jedoch herabgesetzt werden.

1883 erprobte Leo Daft seine zwei Tonnen schwere Experimentierlokomotive Ampère auf der schmalspurigen Saratoga, Mount McGregor and Lake George Railroad im US-Bundesstaat New York. Sie zog einen gewöhnlichen Eisenbahnwagen von zehn Tonnen Gewicht und 68 Fahrgästen zuzüglich fünf Personen auf der Lok selbst mit etwa 13 km/h über eine Steigung von 1:57.[14] Die elektrische Energie kam über eine Stromschiene zwischen den Fahrschienen.

Im brasilianischen Niterói wurde von Carlos Basto die Carris Urbanos de Nictheroy gegründet, die ab dem 7. Oktober 1883 eine der frühesten elektrischen Trambahnen auf der Hauptstraße Alameda São Boaventura (Fonseca-Linie) fahren ließ. Der Strom kam aus Akkumulatorbatterien. Im Februar 1885 wurde sie wegen zahlreichen Betriebsproblemen jedoch wieder eingestellt .[15]

1884 eröffneten die Ingenieure Bentley und Knight in Cleveland die erste kommerziell betriebene elektrische Straßenbahn in den Vereinigten Staaten.[16] Dabei wurde erstmals eine unterirdische Stromzuführung eingesetzt, bei der ein aus Holz gebildeten Kanal zwischen den Schienen nach oben einen Schlitz für den Stromabnehmer aufwies.[12] Im Gegensatz zu der vier Jahre später eröffneten Straßenbahn Spragues in Richmond blieb dieser Betrieb nur ein Jahr lang bestehen.

Da sowohl die Energiezufuhr am Boden als auch Siemens' aufwändige zweipolige Schlitzrohroberleitungen äußerst störungsanfällig waren, stagnierte die Verbreitung elektrischer Bahnen bis in die zweite Hälfte der 1880er Jahre.[12]

So hier unterbrechen wir.
Wer sich weiter für die Geschichte interressiert,dem sei der Link empfohlen:

http://de.wikipedia.org/wiki/Geschichte_des_elektrischen_Antriebs_von_Schienenfahrzeugen