L'elettrificazione: origini e primi esperimenti

Origini della trazione elettrica ferroviaria

Gli studi teorici sull’elettrodinamica e sulle possibili applicazioni della corrente elettrica risalgono agli inizi dell'800, ma fu solo dopo la metà del XIX secolo che gli sviluppi della tecnica resero concreta la possibilità di tradurli in pratica. Werner Siemens fu il primo che riuscì, con successivi affinamenti, a mettere a punto un motore elettrico con un rendimento tale da consentire la realizzazione di veicoli. La prima locomotiva elettrica fu così realizzata dalla Siemens und Halske per l’Esposizione Industriale di Berlino: il 31 maggio 1879 in tale ambito fu inaugurato il primo servizio di trasporto pubblico con una ferrovia elettrica, lunga 300 m. Con una potenza di 2,2 kW la motrice raggiungeva i 13 km/h e, con i suoi tre vagoni agganciati, ciascuno capace di trasportare 6 persone, i 7 km/h. La direzione di marcia veniva cambiata tramite un cambio meccanico, poiché non si era ancora scoperta la possibilità di invertire la rotazione del motore invertendo la polarità degli avvolgimenti. La locomotiva captava la corrente (C.C. a 150 V) da una banda metallica collocata centralmente tra le rotaie, che assicuravano la chiusura del circuito. In 4 mesi di servizio questa mini-ferrovia trasportò circa 85.000 persone e dimostrò che l’energia elettrica poteva essere usata per il trasporto su rotaia. Agli inizi del 1881 la Siemens und Halske inaugurò una ferrovia elettrica all’interno dell’Esposizione Universale di Parigi e poco dopo (16 maggio 1881) la tramvia di Lichterfelde (Berlino), primo esempio di servizio permanente su rotaia a trazione elettrica. La fornitura e la captazione di corrente dalla terza rotaia erano però all'epoca frequenti cause di interruzione del servizio: per avere un servizio più regolare a Francoforte la nuova tramvia Sachsenhausen-Offenbach fu pertanto dotata (1884), per la prima volta al mondo, di linea aerea. Le vetture erano dotate di trolley a stanga. L’emanazione della legge prussiana sulle ferrovie (1892), favorì l'espansione delle tramvie elettriche, sia di nuova realizzazione sia per conversione di pre-esistenti tramvie a cavalli. Nel 1904, dopo soli 12 anni, in Germania le tramvie e ferrovie suburbane elettriche avevano raggiunto un’estensione di 3.690 km e disponevano di più di 8.700 veicoli...

Primi esperimenti

Elettrificazioni in CC a 3a rotaia

I positivi risultati conseguiti con le tramvie, e con alcune ferrovie industriali, fecero aumentare la richiesta di utilizzare questo tipo di trazione anche per le normali linee ferroviarie. Il 1 agosto 1900 la Siemens und Halske inaugurò a Berlino un servizio sperimentale sulla tratta Wanseebahnhof-Zehlendorf della Ferrovia Suburbana (S-Bahn). La prima e l’ultima carrozza del treno, formato da 10 veicoli, erano state dotate ciascuna di una cabina di guida collocata all’estremità e di 3 motori alimentati con CC 750 V. Nel 1903, sempre a Berlino, la UEG (poi AEG) attivò un servizio simile sulla tratta Potsdamer Ringbahnhof-Lichterfelde Ost della S-Bahn, con un treno composto da 3 motrici e 2 rimorchiate, che, per la prima volta, era dotato di comandi a controllo elettromagnetico ed era alimentato in CC 550 V. In entrambi i casi l'alimentazione avveniva tramite terza rotaia collocata lateralmente alla linea. Il sistema fu poi esteso all'intera rete della S-Bahn berlinese (che utilizza tuttora la terza rotaia) unificando la tensione a 800 V.
Il sistema a terza rotaia diventerà tipico delle reti metropolitane sotterranee o suburbane di superficie e verrà usato estensivamente per normali linee ferroviarie solo nel Regno Unito.

Elettrificazioni in CC

L'applicazione della CC a linee ferroviarie ordinarie trovava un'ostacolo nella bassa tensione che all'epoca era possibile erogare. Per tale ragione le elettrificazioni si limitarono a brevissime tratte ed avevano un chiaro carattere sperimentale. Anche in questo caso il battistrada fu la Prussia, che nel 1894 elettrificò in CC 600 V gli 1,6 km della Wuppertal-Barmen, una brevissima linea a cremagliera a scartamento metrico. L'anno successivo fu elettrificata la Meckenbeuren–Tettnang, nel Württemberg, in CC 650 V (4,3 km a scartamento normale). Nel 1901 fu il Baden che elettrificò la tratta Wiesloch Bahnhof–Wiesloch Oberstadt (3,8 km a scartamento normale) in CC 550 V. Nel frattempo però progredivano gli studi sull'alimentazione in CA, che si rivelarono molto più promettenti e che in Germania portarono all'abbandono del sistema a CC: fu negli USA che si puntò sulla CC ad alta tensione (> 1000 V) e si dimostrò che era possibile alimentare in tal modo locomotive elettriche senza particolari problemi. Ma questa è un'altra storia...

Elettrificazioni in CA monofase e trifase

Sperimentazione trifase

Parallelamente alle elettrificazioni e alle sperimentazioni in C.C., procedeva la ricerca sulla possibilità di impiego ai fini ferroviari della C.A. monofase e trifase. A partire dal 1885 molte aziende si concentrarono su qesto indirizzo di ricerca e la Siemens e Halske nel 1892 allestì una linea sperimentale trifase su un proprio terreno a Lichterfeld, nelle vicinanze di Berlino. Questa sperimentazione fu proseguita, a partire dal 1898, dalla ‘Società per gli studi sulle ferrovie veloci a trazione elettrica’ (St.E.S.) cui partecipavano, tra le altre, la KPEV, la Siemens-Schuckert (SSW) e la AEG. La StES attrezzò i 23 km della Ferrovia Militare da Marienfelde a Zossen con una linea trifase a 10 kV ed eseguì numerose corse di prova tra il 1901 e il 1904. La linea di alimentazione era formata da tre cavi, uno per ognuna delle fasi, tesi ad un’altezza tra i 5 m e i 7 m sul piano del ferro tra pali in legno collocati lateralmente al binario, sistema già utilizzato dalla Siemens e Halske sulla propria linea sperimentale. Mentre su quest’ultima era stata impiegata solo una piccola locomotiva a 2 assi, le aziende coinvolte nella StES decisero di realizzare veicoli nettamente più grossi e con maggiori prestazioni. Ogni azienda costruì una elettromotrice con rodiggio (A1A)(A1A) e la SSW realizzò anche una locomotiva (1A)(A1). L'elettromotrice AEG nelle corse di prova del 1903 stabilì un record di velocità (210 km/h), ma nonostante ciò ed i buoni risultati del programma di ricerca della StES, l’elettrificazione trifase non venne adottata a causa delle complicazioni inerenti la linea aerea. (Qui sotto i veicoli sperimentali della StES)


Sperimentazione monofase - ferrovie suburbane

In parallelo a queste ricerche la AEG e la KPEV elettrificarono nel 1902 in C.A. monofase a 25 Hz, 6,3 kV un tratto di 4,1 km della linea Niederschöneweide- Spindlersfeld della S-Bahn berlinese. La corrente monofase all’epoca univa i vantaggi della CC a quelli della CA trifase (senza le complicazioni della linea aerea di quest'ultima) e sembrava pertanto la più adatta alla trazione ferroviaria. Lo svantaggio era che, in parte anche a causa delle caratteristiche dei motori monofase dell’epoca, la frequenza doveva essere bassa, così che il collettore potesse funzionare senza scintillii. Questo però obbligava le Amministrazioni ferroviarie a costruire una propria rete di distribu- zione, con i relativi costi.  Comunque, nel corso delle prove i motori installati sull'automotrice sperimentale AEG si comportarono molto bene e la KPEV si decise ad elettrificare, come esperimento su più larga scala, la S-bahn di Amburgo con C.A. monofase a 25 Hz, 6,6 kV. A partire dall’aprile 1907 iniziarono le corse di prova sulla tratta Blankenese-Ohlsdorf, di 26,6 km, che aprì all’esercizio regolare il 29 gennaio 1908. Nel 1911 l'elettrificazione fu estesa alla Ferrovia Portuale di Altona e nel 1926 alla tratta Ohlsdorf-Poppenbüttel della S-Bahn, esercita esclusivamente con elettromotrici, ma già nel 1938 iniziò la conversione a C.C. 1,2 kV con alimentazione a terza rotaia. La II GM interruppe il processo e solo il 22 maggio del 1953 cessò l’uso della C.A. sulla S-Bahn di Amburgo.

Le basi per l'espansione del monofase

I positivi risultati ottenuti ed i rapidi progressi della tecnica, con lo sviluppo di motori monofase con avvolgimenti in serie, convinsero svariate Amministrazioni ferroviarie, in primis la Svizzera, che nel 1906 aveva elettrificato in CA 15 Kv 50 Hz la Burgdorf-Thun (7 km), ad optare per il sistema monofase, che finì per includere i paesi di lingua tedesca (Germania, Svizzera, Austria) e la Scandinavia (Norvegia, Svezia). Nel 1912 Assia, Prussia, Baviera e Baden stipularono una Convenzione sulla realizzazione della trazione elettrica ferroviaria, in cui si concordava l’uso di una linea aerea collocata a 6 m di altezza dal piano del ferro, un voltaggio di 15 kV e un periodo di 16 e 2/3 Hz (= 1/3 della normale frequenza di rete). Questo accordo definì lo standard del sistema monofase e fu la base per i programmi di elettrificazione della DRG e del secondo dopoguerra.