Was ist eine E-Lok?

Allgemeiner Überblick

Eine E-Lok ist eine Lokomotive die mit Strom angetrieben wird

Eine E-Lok oder auch Elektrolok (richtige Abkürzung: Ellok) ist eine Elektrolokomotive, die mit Strom aus Oberleitungen, einer dritten Schiene oder einem Energiespeicher wie einer Batterie oder einem Superkondensator betrieben wird. Im Gegensatz zu dieselelektrischen, dieselhydraulischen oder dampfelektrischen Lokomotiven ist der Antrieb bei  Elektrolokomotiven rein elektrisch. Lokomotiven mit Dieselmotoren (Diesellokomotive) oder Gasturbinen (Gasturbinenlokomotive) die Stromgeneratoren antreiben um den benötigten Strom für die Elektromotoren an den Antriebsrädern- bzw. Achsen zu erzeugen, werden nicht als Elektrolokomotiven bezeichnet.

Museumslokomotive E 94 Baujahr 1942 (Foto: Rabensteiner)

Museumslokomotive E 94 Baujahr 1942 (Foto: Rabensteiner)

E-Loks haben einen hohen Wirkungsgrad und sind umweltfreundlich

Elektrische Lokomotiven profitieren vom hohen Wirkungsgrad der Elektromotoren, die oft über 90% liegt. Zusätzliche Effizienz kann durch regeneratives Bremsen erreicht werden, wodurch die kinetische Energie beim Bremsen zurückgewonnen wird. Neuere Elektrolokomotiven verwenden Wechselstrom-Motor-Wechselrichter-Antriebssysteme, die regenerativ Bremsen können. Elektrolokomotiven sind im Vergleich zu Diesellokomotiven leise, da es nur geringe Motor- und keine Abgasgeräusche und weniger mechanische Geräusche gibt. Durch den Verzicht auf hin- und hergehende Teile sind Elektrolokomotiven leichter als Diesellokomotiven, was den Gleisunterhalt reduziert.  Elektrolokomotiven haben auch eine höhere Leistungen als Diesellokomotiven und können noch höhere kurzzeitige Leistungen für schnelles Beschleunigen erzeugen. E-Loks sind daher ideal für den S-Bahn-Verkehr mit häufigen Haltestellen. Elektrolokomotiven werden aber auch auf Güterstrecken mit gleichbleibend hohem Verkehrsaufkommen oder in Gebieten mit modernen Schienennetzen eingesetzt. Voraussetzung für den Einsatz von E-Loks sind elektrifizierte Strecken. Die Stromerzeugung in Kraftwerken, selbst wenn sie fossile Brennstoffe zur Stromerzeugung verbrennen, ist sauberer als mobile Antriebsquellen wie Motoren von Dieselloks. Wenn der Strom  aus sauberen oder erneuerbaren Quellen stammt, wie Geothermie, Wasserkraft, Solarenergie und Windkraftanlagen, dann fahren Elektrolokomotiven emissionsfrei.

Führerstand einer alteren E-Lok, der E 44 046

Führerstand einer älteren E-Lok, der E 44 046 (Foto: Appaloosa, CC BY-SA 3.0, Link)

Gleichstrom, Drehstrom oder Wechselstrom

Die ersten elektrischen Loks wurden mit Gleichstrom betrieben, da man zu dieser Zeit mit Drehstrom praktisch noch nicht gut umgehen konnte. Gleichstromlokomotiven arbeiten typischerweise mit einer relativ niedrigen Spannung zwischen 600 und  3.000 Volt und einer hohen Stromstärke. Die benötigten Kabel müssen daher relativ massiv ausgeführt sein um genügend Strom zu übertragen. Die Stromversorgung muss in regelmäßigen Abständen erfolgen, da die hohen Stromstärken zu großen Übertragungsverlusten führen. Die Übertragungsverluste sind proportional zum Quadrat der Stromstärke. Die doppelte Stromstärke bedeutet den vierfachen Verlust. Es ist also besser hohe Spannung und niedrige Stromstärke zu übertragen, und dies in der Lokomotive mit einem Transformator in niedrige Spannung und hohe Stromstärke umzuwandeln. Diese Umwandlung lässt sich aber nur mit Drehstrom effizient durchführen, so dass Gleichstromlokomotiven immer mit dem Übertragungsverlust in der Fahrleitung auskommen müssen. Bei  Drehstromlokomotiven können hohe Spannungen (Zehntausende von Volt) und geringe Stromstärken bei der Übertragung verwendet werden. So kann Strom über weite Strecken auf leichteren und kostengünstigeren Drähten übertragen werden. Transformatoren in den Lokomotiven wandeln die hohe Spannung in eine niedrige Spannung und einen hohen Strom für die Motoren um. Mit der Erfindung  des Wechselstromumrichters durch den ungarischen Ingenieur Kálmán Kandó war die Verwendung von Einphasenwechselstrom für Elektrolokomotiven möglich, was die Fahrleitungen und die Energieversorgung wiederum stark vereinfachte, da man jetzt nur noch eine Oberleitung anstatt zwei benötigte. Obwohl die heutigen Systeme überwiegend mit Wechselstrom betrieben werden, sind auch noch viele Gleichstromsysteme im Einsatz. Zum Beispiel in Südafrika und Großbritannien (750 V und 1.500 V); in den Niederlanden, Japan und Irland (1.500 V); in Slowenien, Belgien, Italien, Polen, Russland und Spanien (3.000 V) und in Washington D.C. (750 V).

Akkumulatorlokomotiven und Akkumulatortriebwagen

Akkumulatorlokomotiven und Akkumulatortriebwagen bekommen ihren benötigten Strom nicht über die Oberleitung oder eine zusätzliche Stromschiene, sondern von einer eingebauten wieder aufladbaren Batterie (Akkumulator oder Akku). Es handelt sich also um Batterie-Elektrofahrzeuge, die auf nicht elektrifizierten Strecken eingesetzt werden können. Eine weitere Anwendung für Batterielokomotiven ist in Industrieanlagen, in denen eine verbrennungsbetriebene Lokomotive (d.h. Dampflokomotive oder Diesellokomotive) aufgrund von Brand-, Explosions- oder Rauchgefahr auf engstem Raum ein Sicherheitsproblem verursachen könnte. Batterielokomotiven werden bevorzugt in Bergwerken eingesetzt, in denen Gas durch einen Lichtbogen an den Sammelschuhen gezündet werden könnte, oder in denen sich ein elektrischer Widerstand im Vor- oder Rücklauf, insbesondere an Schienenstößen, entwickeln könnte und gefährlicher Strom in die Erde entweichen kann. Bergwerksbahnen setzen häufig Batterielokomotiven ein. Ein Akkumulatortriebwagen, auch Akkutriebwagen (AT), Elektrischer Triebwagen mit Akkumulatoren (ETA) oder seltener auch Speichertriebwagen genannt ist ein elektrisch angetriebener Triebzug oder Triebwagen, dessen Energie aus wieder aufladbaren Akkumulatoren gewonnen wird, die seine Fahrmotoren antreiben. Der Hauptvorteil dieser Fahrzeuge ist, dass sie keine fossilen Brennstoffe wie Kohle oder Dieselkraftstoff verwenden, keine Abgase emittieren und keine teure Infrastruktur wie elektrische Bodenschienen oder Oberleitung benötigen. Auf der Gegenseite sind das Gewicht der Batterien, die das Fahrzeuggewicht erhöht, und ihre geringe Reichweite von 300 bis 600 Kilometern und die benötigte Infrastruktur für Ladestationen. Die Batterietechnologie hat sich in den letzten 20 Jahren stark verbessert und den Einsatzbereich von Batteriezügen erweitert. Trotz höherer Anschaffungs- und Betriebskosten sind Batteriezüge auf bestimmten Bahnlinien wirtschaftlich sinnvoll, da die sehr hohen Kosten und die Wartung der Vollstromversorgung entfallen. Seit März 2014 sind in Japan auf mehreren Strecken Batterie-Personenzüge im Einsatz. Österreich und Neuseeland haben Freileitungs-/Batteriezüge bestellt, die 2019 in Betrieb gehen werden.

Historische Zeichnung einer elektrischen Lokomotive

Historische Zeichnung einer elektrischen Lokomotive (Foto: Internet Archive Book Images)

Geschichte der Gleichstrom-Lokomotiven

Die erste bekannte Elektrolokomotive wurde 1837 gebaut

Die erste bekannte E-Lok wurde 1837 vom Chemiker Robert Davidson aus Aberdeen in Schottland gebaut und mit galvanischen Zellen (Batterien) betrieben. Es handelte sich also um eine Art Akkumulatorlokomotive.  Der wiederaufladbare Bleiakkumulator wurde erst Ende der 1850er Jahre erfunden. Wollte Davidson seine Batterien wieder aufladen, musste er die Chemikalien austauschen. Robert Davidson baute später eine größere Lokomotive namens Galvani, die 1841 auf der Royal Scottish Society of Arts Exhibition ausgestellt wurde. Das sieben Tonnen schwere Fahrzeug hatte zwei direkt angetriebene Reluktanzmotoren mit festen Elektromagneten auf Eisenstangen, die an einem Holzzylinder an jeder Achse befestigt waren. Die Elektrolok beförderte eine Ladung von sechs Tonnen mit 6 km/h Höchstgeschwindigkeit über eine Strecke von 2 Kilometer. Die Lok wurde im September des folgenden Jahres auf der Edinburgh and Glasgow Railway getestet, aber die begrenzte Leistung der Batterien verhinderte ihren Einsatz im Linienverkehr. Die Lok wurde später von Eisenbahnarbeitern zerstört, die sie als Bedrohung für ihre Arbeitsplätze betrachteten.

Elektrische Bahn von Siemens & Halske auf der Berliner Gewerbeausstellung 1879 (Foto: Siemens AG)

Elektrische Bahn von Siemens & Halske auf der Berliner Gewerbeausstellung 1879 (Foto: Siemens AG)

Werner von Siemens baute den ersten elektrischen Personenzug

Der erste elektrische Personenzug wurde 1879  von Werner von Siemens vorgestellt. Die Lokomotive wurde von einem 2,2 kW starken Elektromotor angetrieben, und der Zug, bestehend aus der Lokomotive und drei Wagen, erreichte eine Geschwindigkeit von 13 km/h. Vier Monate lang beförderte der Zug 90.000 Fahrgäste auf einer 300 Meter langen Rundstrecke. Der Strom (150 V DC) wurde über eine dritte isolierte Schiene zwischen den Gleisen zugeführt. Eine Kontaktwalze an der Lokomotive wurde verwendet, um den Strom aufzunehmen.

Elektrische Straßenbahnen verbreiteten sich schnell

In den 1880er Jahren gab es in vielen Ländern die ersten Elektrolokomotiven, allerdings wurden diese zu dieser Zeit noch nicht im Eisenbahnbetrieb eingesetzt, sondern als Straßenbahnen. Die erste elektrische Straßenbahnlinie der Welt wurde 1881 in Lichterfelde bei Berlin eröffnet. Sie wurde ebenfalls von Werner von Siemens gebaut. Volk’s Electric Railway wurde 1883 in Brighton eröffnet und ebenfalls 1883 wurde die Mödling- und Hinterbrühl-Straßenbahn in der Nähe von Wien in Österreich eröffnet. Er war die erste Straßenbahnlinie der Welt, die im regulären Betrieb über eine Freileitung betrieben wurde. Fünf Jahre später wurde am 02. Februar 1888 in Richmond, Virginia auf dem Richmond Union Passenger Railway eine Straßenbahn eröffnet. Der Erfinder Frank J. Sprague hat hier große Pionierarbeit geleistet.

Karte von Richmond und Petersburg mit Verkehrsverbindungen und Sehenswürdigkeiten aus dem Jahr 1907

Karte von Richmond und Petersburg mit Verkehrsverbindungen und Sehenswürdigkeiten aus dem Jahr 1907 (Foto: Library of Congress)

Theaterbezirk Richmond mit Perley Thomas Straßenbahnen im Jahr 1923

Theaterbezirk Richmond mit Perley Thomas Straßenbahnen im Jahr 1923 (Ansichtskarte: Louis Kaufmann & Sons, Baltimore, MD)

Die Richmond Union Passenger Railway war die erste große elektrische Straßenbahnlinie

Spragues Erfindungen beinhalteten gleich mehrere Verbesserungen bei der Entwicklung von Systemen für elektrische Straßenbahnen, die ihren Strom aus Oberleitungen bekommen. Er verbesserte zum Beispiel die Konstruktion für eine gefederte Kontaktstange, die 1885 von Charles Van Depoele entwickelt worden war. Frank J. Sprague entwickelte auch eine stark verbesserte Lagerung für Straßenbahnmotoren und bessere Getriebekonstruktionen und bewies, dass regeneratives Bremsen bei Elektrolokomotiven ein Vorteil ist. Nachdem Sprague Ende 1887 und Anfang 1888 sein Oberleitungssystem getestet hatte, baute er die erste erfolgreiche große elektrische Straßenbahnlinie – die Richmond Union Passenger Railway in Richmond, die wie bereits geschrieben 1888 in Betrieb genommen wurde. Lange Zeit ein Transporthindernis, waren die Hügel von Richmond mit Steigungen von über 10% ein ausgezeichneter Beweis  für die Fähigkeiten seiner neuen Technologie.

Zug mit E-Lok der City and South London Railway im Jahr 1890

Zug mit E-Lok der City and South London Railway im Jahr 1890

Gesetze verboten Dampflokomotiven in Städten

Während sich elektrische Straßen- und auch U-Bahnen weltweit immer mehr verbreiteten, dauerte es bei der klassischen Eisenbahn etwas länger bis sich die Elektrolokomotiven gegen die Vormacht der Dampflokomotiven behaupten konnten. Ein Großteil der frühen Entwicklung der elektrischen Fortbewegung in Städten wurde aber auch durch die Entscheidungen der Städte begünstigt. Der Rauch von Dampflokomotiven war schädlich und die Kommunen neigten zunehmend dazu, ihren Einsatz innerhalb ihrer Grenzen zu verbieten. Die erste elektrisch betriebene U-Bahn-Linie war die City and South London Railway, ausgelöst durch eine Klausel in ihrem Ermächtigungsgesetz, die die Nutzung von Dampfkraft verbietet. Sie wurde 1890 mit elektrischen Lokomotiven von Mather und Platt eröffnet. Die Elektrizität wurde schnell zur bevorzugten Stromversorgung für U-Bahnen, was durch die Erfindung von Frank J. Sprague im Jahre 1897 noch begünstigt wurde. Oberflächen- und Hochbahnanlagen in Städten benutzten zu dieser Zeit in der Regel noch Dampf, bis sie durch Verordnungen zur Umstellung gezwungen wurden.

Fahrwerk und elektrische Ausrüstung einer elektrischen Lokomotive DD1 mit Stangenantrieb der Pennsylvania Railroad

Fahrwerk und elektrische Ausrüstung einer elektrischen Lokomotive DD1 mit Stangenantrieb der Pennsylvania Railroad

Ab 1908 war der Einsatz von raucherzeugenden Lokomotiven südlich des Harlem River verboten

Der erste Einsatz der Elektrifizierung auf einer Hauptstrecke erfolgte 1895 auf einer vier Meilen langen Strecke der Baltimore Belt Line der Baltimore and Ohio Railroad (B&O), die den Hauptteil der B&O mit der neuen Strecke nach New York durch eine Reihe von Tunneln an den Rändern der Innenstadt von Baltimore verband. Parallelgleise auf der Pennsylvania Railroad hatten gezeigt, dass Kohlenrauch von Dampflokomotiven ein großes Betriebsproblem und ein öffentliches Ärgernis sein würde. Am südlichen Ende der elektrifizierten Strecke wurden zunächst drei Bo-Bo-Einheiten eingesetzt, die an die Lokomotive und den Zug angekoppelt und durch die Tunnel gezogen wurden. Bo-Bo ist eine UIC-Klassifizierung und Bauartbezeichnung von Triebfahrzeugen. Die UIC-Klassifizierung von Lokomotiven-Achsanordnungen ist auch bekannt als deutsche Klassifikation oder deutsches System und beschreibt die Radanordnung von Lokomotiven, Triebzügen und Straßenbahnen. Bo-Bo  beschreibt ein Triebfahrzeug mit zwei Drehgestellen oder Radsätzen unter dem Fahrzeug. Jedes Drehgestell hat zwei angetriebene Achsen, die einzeln von Fahrmotoren angetrieben werden. Drei Viertel aller modernen Lokomotiven und Triebwagen von selbstfahrenden Zügen werden entweder in dieser oder in der Anordnung B-B konfiguriert. Bei der B-B Anordnung haben wir eine Lokomotive oder einen Triebwagen mit zwei Drehgestellen oder Radsätzen. Jedes Drehgestell hat zwei angetriebene Achsen, die durch Treibstangen oder Getriebe miteinander verbunden sind. Eine Kollision im Park-Avenue-Tunnel 1902 führte dazu, dass der New Yorker Gesetzgeber nach dem 01. Juli 1908 den Einsatz von raucherzeugenden Lokomotiven südlich des Harlem River verbot. Daraufhin wurden 1904 elektrische Lokomotiven auf der New Yorker Central Railroad in Betrieb genommen. In den 1930er Jahren elektrifizierte die Pennsylvania Railroad, die aufgrund der New Yorker Verordnung E-Loks eingeführt hatte, ihr gesamtes Gebiet östlich von Harrisburg, Pennsylvania.

Washington, D.C., Juni 1924: Die damals größte und leistungsstärkste Elektrolokomotive der Welt, ausgestellt von der Chicago, Milwaukee & St. Paul Railway und der General Electric Company.

Washington, D.C., Juni 1924: Die damals größte und leistungsstärkste Elektrolokomotive der Welt, die EP-2 ‚Bipolar‘, ausgestellt von der Chicago, Milwaukee & St. Paul Railway und der General Electric Company (Foto: Library of Congress)

In den USA setzen sich die Dieselloks gegen die E-Loks durch

Die Chicago, Milwaukee, St. Paul and Pacific Railroad (auch bekannt als Milwaukee Road) war die letzte transkontinentale Eisenbahnlinie in Nordamerika, die gebaut wurde. Ab dem Jahr 1915 wurden Teile der Strecke über die die Rocky Mountains bis zum Pazifik elektrifiziert. Einige Ostküstenlinien, insbesondere die Virginian Railway und die Norfolk and Western Railway, elektrifizierten kurze Abschnitte ihrer Bergübergänge. Zu dieser Zeit wurde die Elektrifizierung in den Vereinigten Staaten jedoch eher in den Ballungsräumen im Regionalverkehr vorangetrieben. Für Fernstrecken und Überlandlinien setzte man verstärkt auf Diesellokomotiven. Dieselloks waren gegenüber Dampfloks kostengünstiger und flexibler einsetzbar und hatten gegenüber Elektroloks den Vorteil, dass die bestehenden Strecken direkt genutzt werden konnten, ohne diese erst elektrifizieren zu müssen. Auch die Instandhaltung der Stromversorgungs-Infrastruktur entfiel. Dies führte dazu, dass der Großteil der Hauptstrecken außerhalb des Nordostens der USA nicht elektrifiziert wurde.

In Europa wurden die Bergregionen als erstes elektrifiziert

In Europa konzentrierten sich die Elektrifizierungsprojekte zunächst auf Bergregionen, und zwar aus mehreren Gründen: Die Versorgung mit Kohle war schwierig, die Wasserkraft war gut verfügbar, und Elektrolokomotiven sorgten für mehr Traktion auf steileren Strecken. Dies galt insbesondere in der Schweiz, wo fast alle Strecken elektrifiziert sind.

Gleichstrom-Museumslokomotive FS E.321, in Mailand, Italien, Baujahr 1923

Gleichstrom-Museumslokomotive FS E.321, in Mailand, Italien, Baujahr 1923 (Foto: ArbaleteEigenes Werk, CC BY-SA 3.0, Link)

In Italien entschied man sich nach dem zweiten Weltkrieg für 3 kV Gleichstrom

Während der Zeit der Elektrifizierung der italienischen Bahnen wurde geprüft, welche Art von Strom verwendet werden sollte. In einigen Abschnitten gab es eine 3.600 V 16 2⁄3 Hz Drehstromversorgung, in anderen Abschnitten dagegen 1.500 V Gleichstrom. Wieder in anderen Gebieten Italiens gab es Strecken mit 3 kV Gleichstrom und in anderen dagegen 10 kV Drehstrom 45 Hz. Nach dem 2. Weltkrieg entschied man sich für 3 kV Gleichstrom für das gesamte italienische Eisenbahnnetz. Auf einigen Strecken in der Nähe von Frankreich werden aber auch noch 1.500 V Gleichstrom und 25 kV 50 Hz Wechselstrom für Hochgeschwindigkeitszüge verwendet.

Geschichte der Drehstrom-Lokomotiven

Charles Brown entwarf die erste Drehstrom-Elektrolokomotive

Die erste wirklich verwendbare Drehstrom-Elektrolokomotive wurde von Charles Brown entworfen, der damals für Oerlikon in Zürich, arbeitete. Im Jahre 1891 hatte Brown die Fernübertragung von Strom mittels Drehstrom zwischen einem Wasserkraftwerk in Lauffen am Neckar und Frankfurt am Main West über eine Entfernung von 280 km nachgewiesen. Mit den Erfahrungen, die er bei der Arbeit für Jean Heilmann an Dampflokomotiven gesammelt hatte, stellte Brown fest, dass Drehstrommotoren ein höheres Leistungsgewicht haben als Gleichstrommotoren und wegen des Fehlens eines Kommutators einfacher herzustellen und zu warten sind. Sie waren jedoch viel größer als die damaligen Gleichstrommotoren und konnten nicht in Unterflurdrehgestellen montiert werden. Sie mussten daher im Lokomotivenkörper verbaut werden. Im Jahre 1894 entwickelte der ungarische Ingenieur Kálmán Kandó einen neuen Typ von Drehstrom-Asynchronmotoren und Generatoren für elektrische Lokomotiven. Kandós neuer Drehstrom-Motor wurde erstmals in einer Straßenbahn in Evian-les-Bains (Frankreich) eingesetzt, die von 1896 bis 1898 gebaut wurde.

Die Firma Oerlikon baute die erste kommerzielle Straßenbahn

1896 baute die Firma Oerlikon die erste kommerzielle Straßenbahn mit Drehstrom in Lugano. Jede 30-Tonnen-Lokomotive hatte zwei 110 kW (150 PS) starke Motoren, die von dreiphasigen 750 V 40 Hz Strom angetrieben wurden. Drehstrommotoren laufen mit konstanter Geschwindigkeit und können regenerativ Bremsen und eignen sich daher gut für steile Strecken.

Prototyp einer Ganz Drehstrom-Elektrolokomotive im Veltlin in Italien im Jahr 1901

Prototyp einer Ganz Drehstrom-Elektrolokomotive im Veltlin in Italien im Jahr 1901 (Foto: Pesti Napló)

Die ersten Drehstromlokomotiven fuhren auf der Strecke Burgdorf-Thun

Die ersten Drehstromlokomotiven von Charles Brown (damals in Zusammenarbeit mit Walter Boveri) wurden 1899 für die 40 km lange Strecke Burgdorf-Thun in der Schweiz geliefert. Die italienischen Eisenbahnen waren die ersten weltweit, die die elektrische Traktion über die gesamte Länge einer Hauptstrecke und nicht nur über eine kurze Strecke einführten. Die 106 km lange Veltlinbahn wurde am 04. September 1902 eröffnet, geplant von Kálmán Kandó und einem Team aus dem ungarischen Werk Ganz. Das elektrische System war dreiphasig bei 3 kV und 15 Hz. Die Spannung war deutlich höher als früher und erforderte neue Konstruktionen für Elektromotoren und Schaltgeräte. Das dreiphasige Zweileitersystem wurde bei mehreren Bahnen in Norditalien eingesetzt und wurde als „das italienische System“ bekannt. Kandó wurde 1905 eingeladen, die Leitung der Società Italiana Westinghouse zu übernehmen und leitete die Entwicklung mehrerer italienischer Elektrolokomotiven.

Geschichte der Wechselstrom-Lokomotiven

Einphasiger Wechselstrom macht die zweite Oberleitung überflüssig

Eine spätere Entwicklung von Kandó war ein elektromechanischer Umrichter, der den Einsatz von Wechselstrommotoren mit einphasigem Wechselstrom ermöglichte, wodurch die zweite Oberleitung überflüssig wurde. Im Jahre 1923 wurde die erste Phasenwandler-Lokomotive in Ungarn nach den Entwürfen von Kandó gebaut, die mit Wechselstrom fahren konnte. Bald darauf begann die Serienproduktion. Die erste Anlage mit 16 kV 50 Hz Wechselstrom wurde 1932 auf dem 56 km langen Abschnitt der Ungarischen Staatsbahn zwischen Budapest und Komárom errichtet.

Die Französische Staatsbahn leistete einen wichtigen Beitrag zur Verbreitung des Wechselstroms

Ein wichtiger Beitrag zur Verbreitung des Wechselstroms kam von der Französischen  Staatsbahn SNCF nach dem Zweiten Weltkrieg. Das Unternehmen hatte die Wechselstromleitung der Höllentalbahn, durch das steile Höllental ging, untersucht. Die Region stand nach dem Krieg unter französischer Verwaltung. Nach Erprobungen der Strecke entschied das Unternehmen, dass die Leistung der Wechselstrom-Lokomotiven so weit entwickelt war, dass alle zukünftigen Anlagen, unabhängig vom Gelände, diesen Standard mit der damit verbundenen kostengünstigeren und effizienteren Infrastruktur erfüllen konnten. Die Entscheidung der Französische Staatsbahn SNCF war für den gewählten Standard anderer Länder in Europa von großem Einfluss. Ignoriert wurde dabei, dass es zu dieser Zeit in Frankreich bereits 3.200 km Gleichstrom-Eisenbahnstrecken gab.

Akkumulator-Triebwagen 090 802 Ma (ex DRG AT 543/544)

Akkumulatortriebwagen 090 802 Ma – Ehemals DRG AT 543/544 (Foto: Carsten Krüger WassenEigenes Werk, CC BY 3.0, Link)

Geschichte der Akkumulatorlokomotiven und Akkumulatortriebwagen

Die erste gebaute Elektrolokomotive war eine Batterielokomotive

Die erste 1837 gebaute Elektrolokomotive war eine Akkumulatorlokomotive. Sie wurde vom Chemiker Robert Davidson aus Aberdeen gebaut und mit galvanischen Zellen (Batterien) betrieben. Ein weiteres frühes Beispiel ist die Kennecott Copper Mine in Latouche in Alaska, wo 1917 die unterirdischen Transportwege verbreitert wurden, um den Betrieb mit zwei Akkumulatorlokomotiven von zu ermöglichen.  1928 bestellte Kennecott Copper vier elektrische Lokomotiven der Serie 700 mit Akkumulatoren. Diese Lokomotiven wogen 77 t und konnten mit 750 Volt Oberleitung  und mit Akkubetrieb fahren. Sie sollen eine beträchtliche Reichweite im Batteriebetrieb gehabt haben. Die Lokomotiven waren mehrere Jahrzehnte mit Nickel-Eisen-Batterie-Technologie (Edison) im Einsatz. Kurz nachdem die Batterien durch Blei-Säure-Batterien ersetzt wurden sind, wurden die Lokomotiven stillgelegt. Nach der Stilllegung wurde eine Lokomotive verschrottet, die anderen drei Loks sind bei der Boone and Scenic Valley Railroad in Iowa, und im Western Railway Museum in Rio Vista in Kalifornien zu sehen. Die Lokomotive FS E.421 der Ferrovie dello Stato Italiane (Italienische Staatsbahn) war eine mit Akkumulatoren betriebene Versuchslokomotive. Sie wurde im Jahr 1921 vom italienischen Eisenbahnhersteller Tecnomasio Italiano Brown Boveri, kurz TIBB, entworfen. Die Lok verrichtete im damaligen Bahnhof Milano Centrale ihren Rangierdienst, wurde aber bereits 1923 aufgrund vieler Probleme außer Dienst gestellt. Die Londoner U-Bahn betreibt bereits seit den dreißiger Jahren des letzten Jahrhunderts batterieelektrische Lokomotiven für Wartungsarbeiten, bei denen die Stromschiene abgeschaltet ist.

Die ersten deutschen Akkumulatortriebwagen wurden 1887 eingesetzt

Versuche mit Akkumulatortriebwagen  wurden um 1890 in Belgien, Frankreich, Deutschland und Italien durchgeführt. In den USA wurden ab 1911 Triebwagen vom Typ Edison-Beach mit Nickel-Eisen-Batterien eingesetzt. Der Edison-Beach Batterietriebwagen wurde von Thomas Edison und Ralph H. Beach entwickelt. Letzterer leitete die Railway Storage Battery Car Company und die Electric Car & Locomotive Corp. Der Wagen Nr. 105 der Alaska Railroad war ein Edison-Beach-Wagen und wurde auf der Central Vermont Railway zwischen Millers Falls, Northfield und West Townshend betrieben. Ein bemerkenswertes Merkmal der Wagen von Edison-Beach war das Beach-Antriebssystem. Jedes Rad wurde von einem einzelnen Fahrmotor über ein Getriebe angetrieben. In Neuseeland fuhr von 1926 bis 1934 ein batterieelektrischer Edison-Triebwagen. Die Nickel-Zink-Batterie von Drumm wurde zwischen 1932 und 1946 auf der Harcourt Street Line in Irland eingesetzt, während die British Railways 1958 Blei-Säure-Batterien in einem Triebwagen einsetzte. 1887 wurden die ersten deutschen Akkumulatortriebwagen bei den Königlich Bayerischen Staatsbahnen in Dienst gestellt. Ihre Entwicklung setzte sich mit den Vorkriegsklassen ETA 177 bis 180, der Nachkriegs-DB-Klasse ETA 176 fort und endete schließlich mit den DB-Klassen 150, 515 und 517.

Treibradsatz mit Fahrmotor der DB-Baureihe E 40. An der Außenseite sind die Gummisegmentfedern zu erkennen, die den Radkörper elastisch mit dem Motorgetriebe verbinden. Der Schachtstutzen rechts oben dient zur Kühlluftzufuhr

Treibradsatz mit Fahrmotor der DB-Baureihe E 40. An der Außenseite sind die Gummisegmentfedern zu erkennen, die den Radkörper elastisch mit dem Motorgetriebe verbinden. Der Schachtstutzen rechts oben dient zur Kühlluftzufuhr (Von Solaris2006Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, Link)

Elektrische Traktion rund um den Globus

Bahnhof Córdoba C, AVE-Triebzug BR 100 mit Triebkopf 9 100 015

Bahnhof Córdoba C, AVE-Triebzug BR 100 mit Triebkopf 9 100 015 (Foto: dewet aus London, United KingdomFlickr, CC BY-SA 2.0, Link)

Europa

Die Elektrifizierung ist in Europa weit verbreitet. Aufgrund der höheren Dichte der Fahrpläne sind die Betriebskosten bei den Infrastrukturkosten dominanter als in den USA und die Betriebskosten von Elektrolokomotiven sind deutlich niedriger als bei Diesellokomotiven. Darüber hinaus waren die Regierungen motiviert, ihre Eisenbahnnetze aufgrund der Kohleverknappung während des Ersten und Zweiten Weltkriegs zu elektrifizieren. Diesellokomotiven haben bei gleichem Gewicht und gleichen Abmessungen weniger Leistung als Elektrolokomotiven. Bei niedrigen Geschwindigkeiten ist jedoch die Zugkraft wichtiger als die Leistung. Deshalb sind Dieselloks im langsamen Güterverkehr (wie es in den USA üblich ist) wettbewerbsfähig, nicht aber im Personen- oder gemischten Personen-/Güterverkehr wie auf vielen europäischen Eisenbahnstrecken, insbesondere dort, wo schwere Güterzüge mit vergleichsweise hohen Geschwindigkeiten (80 km/h oder mehr) gefahren werden müssen. Diese Faktoren führten in den meisten europäischen Ländern zu einem hohen Elektrifizierungsgrad. In einigen Ländern wie der Schweiz sind sogar elektrische Rangierlokomotiven üblich und viele Privatgleise können mit Elektrolokomotiven bedient werden. Die jüngsten politischen Entwicklungen in vielen europäischen Ländern zur Verbesserung des öffentlichen Nahverkehrs haben zu einem weiteren Schub für die elektrische Traktion geführt. Hochgeschwindigkeitszüge wie TGV, ICE, AVE und Pendolino können nur mit elektrischer Traktion wirtschaftlich betrieben werden, und auch der Betrieb von Nebenstrecken ist bei elektrischer Traktion kostengünstiger.

Die Fahrerkabine des Elektroloks 2EV120-001 auf der EXPO-1520 in Shcherbinka, einem Stadtteil von Moskau

Die Fahrerkabine der Elektrolok 2EV120-001 auf der EXPO-1520 in Shcherbinka, einem Stadtteil von Moskau

Russland und die ehemalige UdSSR

Russland und andere Länder der ehemaligen UdSSR haben aus historischen Gründen einen Mix aus 3.300 V Gleichstrom und 25 kV Wechselstrom 50 Hz. Die speziellen „Übergangsbahnhöfe “ (ca. 15 auf dem Gebiet der ehemaligen UdSSR) haben eine wechselnde Verkabelung von Gleich- auf Wechselstrom oder umgekehrt. Ein Lokomotiven-Austausch ist an diesen Stationen unerlässlich und wird zusammen mit dem Stromwechsel durchgeführt. Die meisten sowjetischen, tschechischen (die UdSSR bestellte auch elektrische Personenlokomotiven von Skoda), russischen und ukrainischen Lokomotiven können nur mit Gleich- oder Wechselstrom betrieben werden. Es gab einige halbwegs experimentelle Kleinserien wie die VL82 (VL steht für Vladimir Lenin), die zwischen Gleich- und Wechselstrom umschalten konnten und in kleinen Stückzahlen rund um die Stadt Charkow in der Ukraine eingesetzt wurden. Auch die neueste russische Personenzuglokomotive EP10 hat ein Zweistromsystem. Der Einfachheit halber wurde zu Beginn der Elektrifizierung 3.300 V Gleichstrom verwendet. Die erste elektrische Versuchsstrecke befand sich in den georgischen Bergen und dann wurden die Vorortzonen der größten Städte für den Einsatz von elektrischen Triebwagen elektrifiziert. Die bessere Dynamik im Vergleich zum Dampfzug, war gerade für den Vorortbetrieb mit seinen häufigen Haltestellen von Vorteil. Später wurde dann die große Bergstrecke zwischen Ufa und Tscheljabinsk elektrifiziert.  Lange Zeit galten elektrische Bahnen nur für Vorort- oder Gebirgsstrecken als geeignet. Um 1950 wurde (der Legende nach von Joseph Stalin) beschlossen, die stark frequentierte Eisenbahnlinie von Omsk nach Novosibirsk zu elektrifizieren. Diese Strecke führt über endlose flache Prärielandschaft. Danach wurde die Elektrifizierung der großen Eisenbahnstrecken mit 3.000 V Gleichstrom zum Standard. Die Elektrifizierung der Strecken mit 25 kV Wechselstrom begann in der UdSSR um 1960. Die erste große Linie mit Wechselstrom war Mariinsk-Krasnojarsk-Tayshet-Zima, die Linien im europäischen Teil von Russland wie Moskau-Rostov-On-Don folgten darauf. In den 1990er Jahren wurden einige Gleichstrom-Strecken auf Wechselstrom umgebaut, um den Einsatz der riesigen Wechselstrom-Lokomotive VL85 zu ermöglichen. Die Eisenbahnlinie um Irkutsk ist eine davon. Die durch diesen Umbau freigewordenen Gleichstrom-Lokomotiven wurden in der Region Sankt Petersburg eingesetzt. Die Transsibirische Eisenbahn ist seit dem Jahr 1929 teilweise elektrifiziert, seit dem Jahr 2002 vollständig. Nach dem Übergangsbahnhof  Mariinsk bei Krasnojarsk fährt die Transsib mit 25 kV Wechselstrom 50 Hz, davor mit 3.000 V Gleichstrom. Das Zuggewicht beträgt bis zu 6.000 Tonnen. Die Transsibirische Eisenbahn ist eine Eisenbahnverbindung, das Moskau mit dem fernen russischen Osten verbindet. Mit einer Länge von 9.288 Kilometern ist sie die längste Eisenbahnstrecke der Welt.

Elektrolokomotive GG1

Elektrolokomotive GG1 (Foto: CC BY-SA 2.0, Link)

Vereinigte Staaten von Amerika

Elektrische Lokomotiven werden in den USA für Personenzüge im Nordostkorridor von Amtrak zwischen Washington, D.C. und Boston eingesetzt, mit einer Abzweigung nach Harrisburg, Pennsylvania und auf einigen S-Bahnlinien. Die Nahverkehrssysteme und andere elektrifizierte Vorortbahnen nutzen elektrische Triebzüge, bei denen jeder Wagen mit Strom versorgt wird. Alle anderen Personenfernverkehrsverbindungen und alle Güter (bis auf wenige Ausnahmen) werden mit Diesellokomotiven befördert. In Nordamerika haben die Flexibilität der Diesellokomotiven und die relativ niedrigen Kosten ihrer Infrastruktur dazu geführt, dass sie sich durchgesetzt haben. E-Loks werden eigentlich nur dort eingesetzt, wo gesetzliche oder betriebliche Auflagen den Einsatz von Elektrizität vorschreiben. Ein Beispiel dafür ist der Einsatz von Elektrolokomotiven bei Amtrak und den S-Bahn-Verbindungen im Nordosten. New Jersey Transit (NJ Transit), die landeseigene Verkehrsgesellschaft des US-Bundesstaates New Jersey,  verwendet ALP-46 Elektrolokomotiven auf der Strecke von New Jersey nach New York. Dies geschieht wegen des Verbots des Dieselbetriebs in der Penn Station und den Hudson und East River Tunneln, die auf der Strecke liegen. Einige andere Züge die zur Penn Station fahren, verwenden Dual-Mode-Lokomotiven. Diese dieselelektrischen Lokomotiven fahren in den Tunneln und im Bahnhof mit Strom aus der dritten Schiene. Während der Dampflokzeit wurden auch einige Bergregionen elektrifiziert. Mit der Verbreitung der Diesellok wurden diese Strecken aber dann nicht mehr elektrisch bedient. Beim Übergang zwischen elektrifiziertem und nicht-elektrifiziertem Gebiet müssen die Lokomotiven gewechselt werden.  Bei den  Amtrak-Zügen des Nordostkorridors lag die Haltestelle zum Lok-Wechsel in New Haven, Connecticut. Da der Wechsel die Fahrzeit verlängerte, entschied man im Jahr 2000 den Abschnitt von New Haven nach Boston zu elektrifizieren. Weitere elektrische Lokomotiven sind in den USA für das California High Speed Rail System geplant.

Kanada

Seit Januar 2011 werden in Kanada keine elektrischen Lokomotiven mehr eingesetzt. Die Agence métropolitaine de transport (AMT) betreibt für die Repentigny-Mascouche Linie die Dual-Mode Elektro-Diesel-Lokomotiven ALP-45DP. Sie fahren elektrisch im schlecht belüfteten Mount Royal Tunnel, ansonsten als Diesellokomotiven. Die U-Bahn von Toronto betreibt elektrische Lokomotiven von Arva Industries in ihrem Fuhrpark. Davor  hatte sie seit 1968 elektrische Lokomotiven von Nippon Sharyo.

Mehrere Baureihen des Shinkansen nebeneinander

Mehrere Baureihen des Shinkansen nebeneinander (Foto: DAMASA – Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, Link)

Japan

Die Stromversorgung des Schienennetzes von  Japans ehemaligen staatlichem Eisenbahnbetreiber, der Japan Railways Group (JR Group), erfolgt mit 1.500 V Gleichstrom und 20 kV Wechselstrom für konventionelle Züge und 25 kV Wechselstrom für die Shinkansen-Linien. Der Begriff Shinkansen (dt. „neue Stammstrecke“) bezeichnet zum einen das Streckennetz japanischer Hochgeschwindigkeitszüge, zum anderen die Züge selbst. Die Frequenz der Wechselstromversorgung beträgt in Ost-Japan 50 Hz und in West-Japan 60 Hz. In Japan ist die Elektrifizierung weitgehend abgeschlossen, was vor allem auf die relativ kurzen Distanzen zwischen den Bahnhöfen und auf das bergige Gelände zurückzuführen ist, was die elektrische Traktion zu einer besonders wirtschaftlichen Investition macht. Darüber hinaus ist die Mischung aus Güter- und Personenverkehr (auch in ländlichen Gebieten) viel stärker auf den Personenverkehr ausgerichtet als in vielen anderen Ländern.

Das Schienensystem in Japan setzt sich wie folgt zusammen (Stand 2005):

  • 20.264 km mit einer Spurweite von 1.067 mm (Kapspur), 13.280 km sind elektrifiziert
  • 3.204 km mit einer Spurweite von 1.435 mm (Normalspur), alles elektrifiziert
  • 117 km mit einer Spurweite von 1.372 mm (Schottische Spur), alles elektrifiziert
  • 11 km mit einer Spurweite von 762 mm (Schmalspur), alles elektrifiziert

Die Elektrifizierung für die Nahverkehrsbahnen begann bereits in den 1920er Jahren. Die Elektrifizierung der Hauptstrecken begann nach dem Zweiten Weltkrieg mit 1.500 V Gleichstrom. Schnelle Überlandstrecken wurden später auf 20 kV Wechselstrom umgebaut,  oft wurden dafür die alten 1.500 V Gleichstrom-Leitungen verwendet. Für die Hochgeschwindigkeitsstrecken der Shinkansen verwendet man 25 kV Wechselstrom. Die Tōkaidō-Hauptlinie, Japans verkehrsreichste Strecke, wurde im Jahr 1956 elektrifiziert und Tōkaidō-Shinkansen wurde 1964 fertig gestellt. Bis Mitte der 70er Jahre wurden die meisten Hauptstrecken elektrifiziert. In den 70er Jahren und bis in die 80er Jahre, als eine schnell wachsende japanische Wirtschaft massive Infrastrukturausgaben erforderte, wurde fast jede Strecke mit nennenswertem Verkehr elektrifiziert.  In den 1990er und 2000er Jahren stand die ländliche Infrastruktur im Mittelpunkt vieler staatlicher Fördermaßnahmen, darunter die Elektrifizierung von selten genutzten Strecken und der Ausbau des Shinkansen-Netzes, das wie bei allen Hochgeschwindigkeitszügen elektrisch ist.

S-Bahnhof Vile Parle in Mumbai in Indien

S-Bahnhof Vile Parle in Mumbai in Indien (Foto: A.Savin (Wikimedia Commons · WikiPhotoSpace) – Own work, FAL, Link)

Indien

Die Hafenlinie der Mumbai Suburban Railway war die erste Strecke in Indien, die 1925 elektrifiziert wurde. Es folgte die Beach-Tambaram-Strecke der Chennai Suburban Railway im Jahr 1931. Alle elektrifizierten Strecken in Indien verwenden 25 kV Wechselstrom 50 Hz Bahnelektrifizierung. Nur die Metro Kolkata, Metro Namma, Metro Rapid, Metro Kochi und Metro Noida verwenden 750 V Gleichstrom mit dritter Schiene. Seit März 2017 sind 85% des Güter- und Personenverkehrs mit Elektrolokomotiven und 30.000 km Eisenbahnstrecken elektrifiziert.

Elektrolokomotive 3811 der Baureihe QR 3800, die bei langen Kohlezügen im mittleren Queensland zum Einsatz kommt

Elektrolokomotive 3811 der Baureihe QR 3800, die bei langen Kohlezügen im mittleren Queensland zum Einsatz kommt (Foto: Andreas Nagel, MünchenEigenes Werk, CC BY 3.0, Link)

Australien

Sowohl die Victorian Railways als auch die New South Wales Government Railways, die Anfang des 20. Jahrhunderts in Australien Pionierarbeit im Bereich der elektrischen Traktion leisteten und auch heute noch 1.500 V Gleichstrom-Elektrotriebzüge im städtischen Personennahverkehr betreiben, haben ihre Elektrolokomotiven auf den Überlandstrecken  ausgemustert. In beiden Bundesstaaten, Victoria und New South Wales, erwies sich der Einsatz von Elektrolokomotiven auf den wichtigsten Überlandstrecken als durchaus erfolgreich. Da aber in Victoria nur eine große Strecke (die Orbost Bahnlinie, auch bekannt als Gippsland Bahnlinie) elektrifiziert worden war, wurden die wirtschaftlichen Vorteile der elektrischen Traktion nicht voll ausgeschöpft. Lokomotiven für Züge, die über das elektrifizierte Netz hinausfuhren, mussten gewechselt werden. Die Elektrolokflotte der Victorian Railways wurde bis 1987 stillgelegt und die Elektrifizierung der Gippsland Bahnlinie bis 2004 abgebaut. Die 1983 bei New South Wales Government Railways eingeführten elektrischen Lokomotiven der Baureihe 86 hatten nur eine relativ kurze Betriebszeit, da die Kosten für den Wechsel der Lokomotiven an den Enden des elektrifizierten Netzes zusammen mit den Stromkosten ein Nachteil gegenüber den geringeren Betriebskosten der dieselelektrischen Lokomotiven war. Im städtischen Personenverkehr werden von New South Wales Government Railways aber nach wie vor elektrische Triebwagenzüge eingesetzt. In Queensland hat die Queensland Rail die Elektrifizierung ihrer Strecken  erst vor ein paar Jahren durchgeführt und nutzt dafür 25 kV Wechselstrom. Die Eisenbahngesellschaft betreibt eine Flotte von E-Loks zum Transport von Kohle für den Export. Im Jahr 2013 wurde in Südaustralien die Bahnlinie von Seaford  elektrifiziert und im Februar 2014 wurde der elektrische Betrieb aufgenommen.

Buch- und DVD-Tipps

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Quelle: wikipedia.org