tram e trasporto pubblico a Roma

Note di trazione elettrica

Trazione tramviaria con alimentazione da accumulatori

Questo articolo ha un interesse essenzialmente storico, come la maggior parte degli scritti su questo sito web, descrivendo fatti ed esperienze di più di un secolo fa; ciononostante non sarà difficile notare come molte delle difficoltà che si incontrarono allora e che, irrisolte, misero fine alle ricerche su un sistema subito apparso fallimentare, si ripresentano oggi quando gli stessi sistemi si vogliono nuovamente introdurre, anche se ancora chiaramente fallimentari, eccessivamente fidando nell'attuale tecnologia. E si potrebbe anche aggiungere che, mentre un secolo fa si cercava di risolvere i problemi con mezzi anche troppo semplici, oggi si proclama la soluzione degli stessi problemi con mezzi di costo tale da essere praticamente inutilizzabili.

 

L'accumulatore

Accumula elettricità sotto forma elettrochimica: ciò significa che nella fase di carica gli organi interni dell'accumulatore, le così dette piastre, assorbono energia da una sorgente esterna subendo delle trasformazioni nella struttura chimica in base alle quali, terminata la carica, potranno restituire ad un circuito esterno parte dell'energia ricevuta. Un accumulatore, di qualsiasi tipo sia, è caratterizzato almeno dai seguenti parametri.

L'utilizzazione di un accumulatore deve di norma interrompersi quando la tensione ai terminali, misurata a vuoto (senza carico), raggiunge il limite interiore prima accennato per elemento; ogni ulteriore utilizzo dell'accumulatore può portare al suo deterioramento.

Carica dell'accumulatore

Il circuito di carica elementare per un accumulatore è quello sopra riportato: l'accumulatore A è collegato al generatore di corrente continua G attraverso una resistenza R, che in molti casi si riduce alla resistenza interna di A e G oltre a quella, non sempre trascurabile, dei conduttori di collegamento; accumulatore e generatore sono quindi collegati in opposizione, ognuno tendendo a far scorrere nel circuito una corrente nel senso opposto all'altro. Di conseguenza, dette E e V le tensioni ai terminali risp. del generatore e dell'accumulatore, vale sempre la relazione fondamentale I=(E-V)/R che dà la corrente nel circuito; ad es., se in un certo istante la tensione sull'accumulatore è V=72,2 V (accumulatore di 36 elementi), quella del generatore è E=80 V e la resistenza totale del circuito è R=0,8 Ω, la corrente è I=(80-72,2)/0,8= 9,75 A.

Riteniamo utile, per una esatta comprensione del seguito, richiamare alcune caratteristiche dei generatori di corrente. Esistono due tipi di generatore in senso lato (dinamo, alternatori, trasformatori ecc., tutto ciò che può alimentare un carico): il generatore a tensione costante e quello a corrente costante.

  1. Generatori a tensione costante (e corrente variabile). Sono gli unici oggi utilizzati e forniscono una tensione costante al carico, quale che sia la potenza richiesta dallo stesso. Esempio più comune: la rete di distribuzione domestica, che fornisce la tensione di 220 V al carico rappresentato ad es. da una lampadina da 3 W o da una stufa da 2,2 kW; ciò che varia, nei due casi è la corrente assorbita che per la lampadina sarà di 3/220=0,136 A e per la stufa di 2200/220=10 A. Gli utilizzatori devono essere previsti tutti per la stessa tensione di esercizio e si collegano in parallelo al generatore.
  2. Generatori a corrente costante (e tensione variabile). Sono stati adottati in passato, ad es. a fine Ottocento per gli impianti di distribuzione in serie (ved. Trazione elettrica in serie); forniscono una corrente costante al carico, quale che sia la potenza richiesta dallo stesso. Esempio ben noto: la linea tramviaria del Cattori in via Flaminia (anno 1890), nella quale la stazione generatrice eroga la corrente costante di 52 A e sulla linea possono circolare due motrici di potenza massima 25 HP=18 kW; per questo carico massimo la tensione che si localizza sul motore di una motrice è 18000/52=346 V, ma se la vettura lavora a metà potenza, 12,5 HP=9 kW, la stessa tensione è 9000/52=173 V. Gli utilizzatori devono essere previsti tutti per la stessa corrente di esercizio e si collegano in serie al generatore..

La carica di un accumulatore può farsi, in linea di principio, sia a tensione che a corrente costante, come anche alternando opportunamente le due modalità

Carica a corrente costante

E' storicamente il primo metodo adottato, nell'idea che, fornendo all'accumulatore una corrente costante per un tempo sufficiente, questo avrebbe avrebbe potuto raggiungere la tensione di fine carica; in realtà non è così, come è facile vedere dal seguente esempio pratico.

Il diagramma si riferisce ad un accumulatore di 48 elementi, tensione nominale 96 V e di fine carica 105 V (linea in tratteggio in alto), collegato ad un generatore che fornisce una corrente costante di 75 A (linea orizzontale verde); si suppone che l'accumulatore sia scarico, con una tensione ai terminali di 80 V. Collegato alla sorgente (tempo 0) inizia la carica e la tensione sull'accumulatore sale con legge esponenziale (curva in rosso); dopo 90' di carica, la tensione ha raggiunto 90 V ed essendo sempre la corrente pari a 75 A, la potenza fornita dalla sorgente è 90.75=6750 W che in parte saranno utilizzati dai processi chimici interni e in parte saranno dissipati in calore. Se però andiamo a fare lo stesso controllo dopo circa 5 ore dall'inizio carica, l'accumulatore è quasi a fine carica con una tensione di 100 V, che con la solita corrente di 75 A dà una potenza di 7500 W, potenza che non potendo più essere impiegata nel processo di carica oramai prossimo al completamento, sarà dissipata, oltre che in calore, nella decomposizione dell'elettrolita con svolgimento di gas, idrogeno e ossigeno: come dicevano i vecchi elettrauto, l'accumulatore "bolle" (ed anzi la "bollitura" era accettata come segno di avvenuta carica). Ma non è detto che l'accumulatore riesca ad arrivare indenne a fine carica: già la produzione dei gas riduce man mano la quantità di elettrolita presente, col rischio che le piastre rimangano parzialmente scoperte, mentre il calore prodotto può portare a danni irreversibili.

Con la carica a corrente costante l'accumulatore non può, in generale, raggiungere lo stato di carica completa.

Carica a tensione costante

Considerando ancora l'accumulatore da 96 V dell'esempio precedente, supponiamo di utilizzare per la carica un generatore a tensione costante pari a 105 V, linea continua in nero in alto nel diagramma sottostante.

All'inserzione dell'alimentazione, sempre supponendo l'accumulatore scarico con tensione ai terminali di 80 V, la corrente di carica raggiunge immediatamente il valore (E-V)/R; ad es. per R=0,3 Ω si avrebbe I=(105-80)/0,8=30 A circa che alla tensione di 80 V danno 2400 W, dissipati in parte in trasformazioni chimiche e in parte in calore; se l'accumulatore è in grado di sopportare la potenza dissipata, la carica procede e la tensione ai terminali aumenta, mentre simultaneamente si riduce la corrente di carica; già dopo due ore la corrente è scesa a 15 A, con una tensione di poco più di 90 V e circa 1400 W, mentre la fine della carica si avrà praticamente dopo cinque ore con una corrente ridotta a qualche ampere e tensione prossima a 105 V.

Con la carica a tensione costante l'accumulatore può arrivare alla carica completa; vi è però il periodo critico iniziale durante il quale, essendo ridotta la tensione ai terminali, la corrente può raggiungere valori eccessivi. In particolare, con la carica a tensione costante non è possibile ripristinare un accumulatore che sia andato molto al di sotto della normale tensione di scarica.

Carica in due fasi, a corrente e tensione costante

I sistemi di carica automatica impiegano generalmente i due metodi sopra presentati: un accumulatore normalmente scarico viene caricato a corrente costante fino al raggiungimento di una tensione prossima al valore di fine carica e successivamente lasciato in carica a tensione costante fino a che la corrente assorbita si sia ridotta a un valore prossimo allo zero.

La carica secondo questo principio richiede l'alimentazione dell'accumulatore attraverso un opportuno dispositivo di regolazione automatica, che può andare dalla dinamo a tre spazzole dei primitivi impianti delle automobili, al regolatore a vibrazione tipo Tirril largamente impiegato negli impianti industriali ed ai regolatori da questo derivati fino agli attuali regolatori elettronici.

Gli accumulatori nella trazione tramviaria

La trazione tramviaria ad accumulatori ha una storia brevissima, di non più di un ventennio: nata all'inizio degli anni Ottanta del secolo XIX, già a fine secolo appare in via di abbandono; possiamo suddividerla in due fasi, quella sperimentale e di esercizio di brevi linee e quella che si sarebbe voluta di espansione e rafforzamento e che invece ne dimostrò in pieno l'impossibilita di un suo utilizzo pratico ed economico e il confine tra le due fasi si può fissare nel 1895 o poco prima. Nato da un concetto sbagliato, i fili delle linee di contatto deturpano le città, il sistema presenterà tali e tanti inconvenienti da scoraggiare anche i più accaniti sostenitori.

L'idea della trazione elettrica con una sorgente di energia trasportabile è in verità vecchia di più di due secoli, ma, lasciando la parte i primitivi tentativi di utilizzare allo scopo delle pile a liquido, per avere uno strumento atto allo scopo occorre aspettare il 1881, quando il Faure brevetta il primo accumulatore fabbricabile su scala industriale, perfezionando i metodi ideati dal Planté nel 1859.

L'accumulatore Faure desta subito grandi speranze per la trazione elettrica, speranze che vanno però deluse dopo gli infruttuosi tentativi del Julien, della Compagnie des Tramways Bruxelloises, e del Reckenzaun che installano brevi linee con rotabili alimentati da accumulatori rispettivamente a Bruxelles e a Londra; lo stesso Reckenzaun ripete le prove a Berlino nel 1885, mentre nel 1887 Huber, direttore di esercizio della rete di trasporto pubblico di Amburgo, cerca di mettere ordine nei risultati raggiunti con un impianto sperimentale, dimostrando che la trazione ad accumulatori è in linea di principio realizzabile, ma materiali ed apparati dei quali si dispone, quali motori, trasmissioni meccaniche, dispositivi di regolazione di velocità ed anche gli stessi accumulatori, sono del tutto inadatti allo scopo.

Emil (da talune fonti: Camille) Alfons Faure, chimico, 1840-1898 e Gaston Planté, fisico, 1834-1889, entrambi francesi; Anton Reckenzaun, elettrotecnico austriaco, 1850-1893.

All'esposizione di Parigi del 1881, quasi contemporaneamente agli esperimenti di Julien e Reckenzaun, appare un rotabile a trazione elettrica con alimentazione ad accumulatori in funzione su una breve linea interna all'esposizione. Nello stesso anno la società Force et Lumière, detentrice dei brevetti degli accumulatori Faure, avvia una serie di esperimenti di trazione, iniziando da un triciclo dotato di una dinamo Gramme come motore, costruito da un certo Raffard, che ottiene poi una vettura tramviaria a cavalli a imperiale in prestito dalla Compagnie Générale des Omnibus (CGO) di Parigi per seguitare le esperienze. Il Raffard utilizza come motore una dinamo Siemens D2 da 6 CV per 160 V e 40 A, montandola nel sottocassa della vettura e azionando mediante una cinghia un assale intermedio che a sua volta aziona le ruote motrici posteriori tramite un differenziale e due catene di trasmissione. Il rotabile, come tutte le vetture a cavalli dell'epoca, è previsto per poter facilmente uscire dal binario e rientrarvi ed è pertanto munito di assale anteriore sterzante, comandato da una specie di volante a disposizione del conducente, che si trova nell'usuale posizione del cocchiere, ossia in alto (al Raffard era stato categoricamente proibito di apportare al rotabile la benchè minima modifica). La vettura Raffard è messa in strada il 25 maggio 1881 e il successivo 8 giugno dà una dimostrazione delle sue capacità ai direttori della CGO; la stampa è concorde nel riconoscere il grande successo dell'invenzione.

Ai primordi dell'elettrotecnica non si faceva distinzione tra dinamo, macchina generatrice, e motore, macchina operatrice, in virtù del principio di reversibilità delle macchine elettriche. Ma si trattava, come spesso è accaduto, di una applicazione sbagliata di un principio corretto; all'atto pratico, quando dalle macchinette dei fisici si passò ad applicazioni industriali, si riconobbe subito che le due macchine, pur utilizzando lo stesso principio, erano sostanzialmente diverse. Questo e l'uso di usare la parola dinamo per l''una e l'altra macchina rende talvolta gli scritti dell'epoca di difficile comprensione. Un'altra difficoltà che si incontra negli scritti del passato è data da una notevole confusione tra le unità di misura, specie quelle di forza, potenza ed energia, dovuta, come al solito, ad una scarsa conoscenza dei principi della fisica. Il dato per la dinamo D2 è riportato in alcuni documenti come 6 kilogrammetri e, se si dovesse interpretarlo come potenza di 6 kg.m/s, corrisponderebbe a 0,08 CV, valore troppo piccolo per essere reale; abbiamo quindi supposto che si volesse indicare in 6 CV la potenza del motore.


La vettura Raffard (1881); una sola delle ruote motrici ha il bordino, per consentire facili uscite e rientri nel binario.

Il Raffard continua a sperimentare con vari tipi di accumulatori; nel 1883 una vettura, che non si sa se la stessa di due anni prima, compie un tragitto di 32 km alla velocità media di 11-12 Km/h con un peso di accumulatori di 30 kg; in un'altra prova la vettura è fatta circolare su strada ordinaria anzichè su binario.

Sempre nel 1883, il Julien esegue degli esperimenti su una linea lunga 1600 metri con una rampa di 400 metri al 35 per mille, con un rotabile del peso di 6 tonn dotato di 120 elementi di accumulatore del peso totale di 1560 kg che si inseriscono in appositi cassetti posti sotto i sedili della corsia passeggeri; cassetti ed accumulatori sono dotati di molle di contatto che dovrebbero garantire il facile montaggio e smontaggio delle batterie. Un motore posto sotto il telaio trasmette il moto ad un albero intermediario a mezzo di coppia dentata e da questo alle ruote motrici tramite catene. La vettura ha un'autonomia di 35 km e ancora una volta sembra che il sistema funzioni alla perfezione.

Prove ed esperimenti si susseguono ora con sempre maggiore frequenza. A Parigi è costruita una linea lunga 5 km, servita da quattro vetture della capacità di 50 passeggeri del peso di 3 tonn, equipaggiata con 108 elementi suddivisi in dodici batterie del peso totale di 1620 kg, che danno al rotabile una autonomia di 50 km. E' interessante, in questo impianto, la stazione di ricarica delle batterie, costituita da un locomobile stradale a vapore da 25 CV che aziona quattro dinamo da 500 V e 12 A (dal momento che 108 elementi danno 195-240 V per batteria scarica e carica, si deve supporre che il locomobile caricasse due batterie alla volta).

Non possiamo tacere di un singolare veicolo costruito alla fine del 1883 da un certo Gellerat, titolare di un'impresa di costruzioni stradali: un normale locomobile compressore stradale a vapore, privato di caldaia, cilindri e quant'altro necessario alla trazione a vapore, è equipaggiato con due dinamo [motori] Siemens D2 per un totale di 12 CV tra 800 e 1000 g/m agenti sullo stesso albero intermediario che aziona le ruote motrici a mezzo di catene, mentre una seconda dinamo [motore] Siemens D4 da 1,25 CV aziona la tiranteria dello sterzo del rullo anteriore, su comando di un piccolo volante a disposizione del conducente, un vero servosterzo elettrico ante litteram. Sul pianale del locomobile è disposta una batteria di 104 elementi per la trazione, dei quali 17 alimentano il sistema di sterzo. Il rotabile, che in ordine di marcia pesa 18,5 tonn, può raggiungere la velocità di 4-5 km/h con un assorbimento di 35 A che in momenti di particolare sforzo può arrivare a 75 A.

In Inghilterra, la Electric Power Storage Company, una ditta costruttrice di accumulatori, tra il 1883 e il 1885 costruisce nella sua officina di Millwall autoveicoli elettrici, mentre a Baltimore, oltre oceano, il Bauer, futuro manager della compagnia ferroviaria Pullmann, esegue nel 1885 delle prove su vetture analoghe, alternando successi e fallimenti. L'attenzione dei tecnici americani è richiamata poco dopo dall'apparizione, sui binari delle tramvie a cavalli di New York, di una vettura ad accumulatori Julien: è l'avvio di un'utilizzazione del sistema in questa città, che culminerà nel 1889 con una notevole rete di tramvie ad accumulatori, che avrà però vita effimera. Tornando in Inghilterra, la Electrical Construction Company costruisce un impianto a Birmingham con dodici vetture e il direttore di esercizio Pritchard garantisce che il sistema funziona correttamente. Seguono altri impianti e nel 1890 circolano 20 vetture ad accumulatori in Inghilterra, 36 in America, due a Parigi, per un totale di più di 60 se si considerano altri impianti più o meno provvisori.

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Per qualche anno la situazione sembra restare stabile, con un numero ridotto di piccoli esercizi più o meno sperimentali, salvo in America dove, a causa dei pessimi risultati di esercizio, non ci si mette molto ad abbandonare la trazione ad accumulatori smantellando tutti gli impianti e passando al filo di contatto, in qualche caso al caniveau (Washington).

Esplode intanto l'ostracismo al filo di contatto nelle città e le imprese di trasporto pubblico, che da qualche anno avevano introdotto la trazione elettrica nelle loro reti adottando quasi ovunque il filo di contatto, sono costrette a rivolgersi o ai vari sistemi di presa di corrente da terra (caniveau, plot e simili) tutti complicatissimi, di funzionamento incerto e costosi come installazione ed esercizio, oppure agli accumulatori che al momento appaiono più convenienti di quelli, anzi, come sostengono alcuni, costituiscono il sistema del futuro.

Si adotta dapprima l'esercizio con sostituzione delle batterie che sono caricate in punti previsti della linea, generalmente ad uno dei capolinea e montate sulle vetture sostituendo quelle giunte al livello di scarica; il tempo intercorrente tra due ricariche dipende dalla capacità degli accumulatori e dalle caratteristiche del percorso, se pianeggiante o più o meno accidentato. Se la linea fosse percorsa da un'unica vettura, il tempo di ricarica potrebbe essere di poco superiore al tempo di autonomia della vettura, ossia al tempo necessario perchè sia utilizzato il 70-75% della capacità degli elementi, per garantire una sufficiente durata degli stessi; se, come normalmente avviene, la linea è servita da più vetture occorre tener conto del numero delle stesse e del loro tempo di autonomia e in molti casi il numero di batterie da tenere in officina potrebbe diventare proibitivo. Il sistema ha il vantaggio di permettere la carica lenta a tensione costante, con un tempo di carica compreso tra le due e le cinque ore; esige, tra l'altro, la presenza di un dispositivo di innesto rapido per l'estrazione e l'inserzione delle batterie sul rotabile con la simultanea apertura e chiusura dei circuiti elettrici e i dispositivi di questo genere si sono sempre manifestati fonti di inconvenienti. Rientrano in questa categoria i sistemi detti a carica giornaliera che prevedono l'utilizzazione di una batteria di accumulatori in grado di assicurarne l'alimentazione per un tempo sufficientemente lungo, in generale per tutte le ore del servizio; i rotabili sarebbero dotati di batterie cariche all'inizio del servizio e dovrebbero rientrare in deposito, al termine dello stesso ancora con una carica sufficiente ad assicurarne gli spostamenti. Sistemi del genere furono sperimentati in Germania e Belgio, senza successo a causa delle dimensioni e del peso che venivano ad avere gli accumulatori, oltre alla necessità di disporre di potenti stazioni di ricarica da mantenere in funzione nelle ore notturne, lasciandole del tutto inutilizzate di giorno.

Le difficoltà insite nel sistema di cui sopra e soprattutto la necessità di estrarre e rimontare le pesanti batterie dai rotabili almeno al termine di ogni corsa hanno portato all'adozione delle batterie fisse sui rotabili, ancora caricate ai capolinea o in altri punti opportuni mediante collegamento a stazioni di ricarica. Gli accumulatori devono ammettere una carica sufficientemente rapida, all'epoca si diceva da 10 a 20 minuti, ma questi tempi si sono sempre mostrati ottimistici; si veda il caso delle linee verso S. Pietro della SRTO, per le quali sembra che al capolinea di piazza Venezia ogni vettura dovesse sostare in media due ore. I rotabili sono dotati di una presa montata all'esterno della cassa per il collegamento alla batteria, che si ha tramite un cavo flessibile collegato al punto di ricarica, che dispone dei necessari accessori, come interruttori, protezioni, strumenti di misura di corrente, tensione e quantità di energia erogata ed è collegato tramite una rete di distribuzione all'officina centrale di generazione. Nonostante i conclamati vantaggi del sistema consistenti in un peso ridotto delle batterie da trasportare e nella migliore utilizzazione della centrale di produzione dell'energia, l'economia di esercizio rispetto ad altri sistemi è vanificata dalla necessità di mantenere una rete di distribuzione di notevole sviluppo, da costruirsi in gran parte in sotterraneo con tutte le soggezioni del caso; qualcuno propone una distribuzione in corrente alternata, con macchine ruotanti di conversione ad ogni punto di ricarica.

La prima applicazione del sistema a batterie fisse la troviamo a Parigi nel 1896, su tre linee risp. lunghe 6950, 5300 e 4900 metri; sulle linee circolano 35 vetture ad imperiale coperto a due assi con interasse di 1200 mm del peso di 14 tonn, lunghe 7950 m con 46 posti in totale, dei quali 20 sull'imperiale; le linee sono tutte praticamente in piano, salvo il raccordo per il deposito che ha una pendenza massima dei 40 per mille per il passaggio su un ponte. Ogni vettura è equipaggiata con due motori da 15 CV continui (25 CV per brevi periodi), con trasmissione a coppia cilindrica rapp. 17/82 e ruote di 820 mm di diametro. La batteria di accumulatori è composta da 200 elementi Tudor (360-440 V) montati sotto i sedili longitudinali. Il controller è formato da due corpi separati, ognuno con la propria manovella di azionamento: uno inserisce un reostato a liquido nel circuito di trazione, mentre l'altro commuta i motori in serie o in parallelo; un ulteriore commutatore stacca la batteria dal circuito di trazione e la collega alle prese di collegamento del cavo di ricarica. La batteria è caricata a tensione costante; in condizione di media scarica, all'inizio della carica assorbe 180 A, corrente che va poi riducendosi durante la carica fino a 85 A fine carica, dopo circa 20 minuti, ricevendo quindi teoricamente, alla corrente media di (180+85)/2=132 A una carica di 440.132.20/60=19360 Wh.

Le batterie fisse con ricarica in punti prestabiliti le troviamo anche in impianti in Germania con le reti di Berlin-Charlottenburg, che sarà peraltro convertita al sistema misto rete-accumulatori dopo due anni di esercizio e di Bremerhaven, mentre altre applicazioni si hanno sulle linee Ludwigshafen-Worms e Ludwigshafen-Mundensheim con carattere però più di ferrovia leggera che di tramvia; un analogo esperimento è anche condotto in Belgio, sulla rete di Gent.

Tutti questi impianti mostrano ben presto il lato debole del sistema: dovendo necessariamente limitare sia il tempo di ricarica che l'intensità della corrente, la carica data agli accumulatori non è sufficiente e difficilmente si rispettano le percorrenze giornaliere previste, mentre le soste di ricarica si moltiplicano.

Un noto tecnico, lo Schiemann, esegue una dettagliata serie di misure su consumi e prestazioni di vetture ad accumulatori, in particolare su due motrici a carrelli: una di costruzione Siemens e Halske pesante circa 19 tonn a vuoto di cui quasi 7 di accumulatori e l'altra, si costruzione A.E.G. pesante a vuoto 17 tonn con 5 di accumulatori; queste misure, precise e minuziose anche in particolari assolutamente insignificanti come il tipo di pavimentazione stradale nella quale era costruito il binario, portano alla conclusione che molti fattori ritenuti fino allora importanti per l'economia di esercizio, come i vari modi di collegare batterie e motori, poco influenzano il consumo di energia, che nel caso delle vetture tramviarie con le quali si è sperimentato può ritenersi compreso tra 25 e 30 Wh/t.km.

Nel 1895 il Pollak (Akkumulatoren-Werken System Pollak A.G.) presenta un nuovo tipo di accumulatore adatto, si dice, ad una carica particolarmente rapida, in grado di fornire una maggiore corrente alla scarica; nel 1897 lo stesso Pollak costruisce, a Frankfurt a.M., una linea lunga 1541 m, esercitata con tre motrici ad un motore con la stazione di ricarica costituita da un palo, la mensola del quale porta un elemento rigido di linea aerea bipolare collegato alla stazione generatrice, sul quale può appoggiare un pattino, anch'esso bipolare, portato dalla vettura in carica e collegato alla batteria. Secondo l'autore la batteria si ricaricherebbe in un tempo di 4-6 minuti; in realtà si vedrà ben presto come questo ridotto tempo di carica dia luogo da un lato ad una minore durata delle batterie per effetto della deformazione delle piastre conseguente all'elevata intensità di corrente necessaria e dall'altro ad un consumo di energia di 45 Wh/t.km, alquanto maggiore di quello dell'esperimento dello Schiemann.


Un tram ad accumulatori a Parigi. Le batterie sono nel cassone tra i carrelli.

Qui ritroviamo almeno tre elementi a noi già noti dai vari progetti di mezzi tecnologicamente avanzati che oggi a più riprese ci vengono presentati e precisamente i terminali di ricarica che sarebbero, né più né meno, le ben note colonnine delle quali costantemente si parla, la carica rapida degli accumulatori, vedi caso in tempi concorrenziali a quelli che si propongono oggi e un sistema di collegamento alla stazione di ricarica con elemento di linea aerea al quale il rotabile si collega momentaneamente.


Un punto di ricarica sulla rete di Parigi.

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Arriviamo così all'ultima invenzione del secolo XIX in fatto di trazione ad accumulatori, il sistema rete-batteria che a prima vista sembra semplice: la motrice tramviaria è del tipo usuale ad alimentazione esterna, da filo aereo, conduttura sotterranea o altro, ma è anche dotata di una batteria di accumulatori che, caricata durante la marcia con alimentazione esterna, dovrebbe permettere alla vettura una marcia autonoma su tratte prive di alimentazione. In realtà si vede subito che con la tecnologia dell'epoca il sistema difficilmente avrebbe potuto funzionare in modo soddisfacente: un accumulatore necessita, per la carica, di una tensione sufficientemente costante, ciò che è in contrasto con le reali condizioni di esercizio di una rete tramviaria, che vede la tensione al filo di contatto scendere dai 500 V nominali anche a 350 V; oltre a ciò, il tempo a disposizione per la carica è normalmente troppo ridotto per una carica sufficiente a coprire le tratte ad alimentazione autonoma e se si cerca di rimediare aumentando la corrente di carica gli accumulatori si danneggiano.

La prima applicazione del sistema rete-batteria si ha in Germania ad Hannover nel 1895, su una rete di 130 km che oltre ad interessare la zona centrale della città dalla quale il filo di contatto è rigorosamente bandito, serve un notevole numero di località periferiche entro un raggio di una decina di chilometri nelle quali si installa la normale linea di contatto. Le motrici, da 20 posti, sono dotate di batterie di accumulatori di 208 elementi (370-460 V) del peso di 2600 kg e di un solo motore da 35 CV. Il Ross, costruttore del sistema, pubblica nel 1897 i risultati di esercizio della rete, che confermano che in servizio normale solo il 25% della capacità della batteria è utilizzabile senza che la tensione disponibile si abbassi al di sotto dei 430 V; da ciò deriva che le tratte percorribili su batterie sono estremamente ridotte. Risultati analoghi si avranno sulla rete di Dresda nel 1896 con batterie da 25 Ah composte di 200 celle, circa 440 V a fine carica, pesanti 2000 kg, successivamente sostituite da batterie di eguali caratteristiche, ma pesanti 1800 kg; a Berlino e in altre città tedesche i risultati saranno sempre gli stessi, ciò che sembra confermare che il sistema è utilizzabile solo se le tratte ad alimentazione autonoma sono alquanto più brevi di quelle nelle quali gli accumulatori possono caricarsi.

A partire dal 1899 gli impianti ad accumulatori in Francia e in Germania cominciano ad essere smantellati per tornare ovunque al filo di contatto. E in Italia? qui proprio nel 1898 la SRTO tenta l'avventura del rete-batteria, che terminerà miseramente due anni dopo, nel 1900.

La trazione ad accumulatori a Roma, 1898-1900

Alcuni dettagli tecnologici

Scelta del tipo di accumulatore; problemi di montaggio

La scelta dell'accumulatore dipende essenzialmente da due fattori di progetto:

L'accumulatore deve soddisfare alle due seguenti condizioni:

Occorre però osservare che la capacità reale dell'accumulatore differisce da quella nominale in dipendenza dal tempo di scarica, nel senso che tanto più rapida è la scarica, tanto più ridotta appare la capacità, a causa della diminuzione progressiva del rendimento nelle reazioni interne delle celle; la figura sottostante si riferisce ad un accumulatore scaricato a corrente costante: se alla scarica in 6-8 ore la capacità risulta praticamente costante pari a 100 Ah, alla scarica in 2 ore si riduce a 75 per scendere a 60 per scarica in un'ora.

Di conseguenza, per un dato volume disponibile per gli accumulatori sulla vettura, la massima autonomia della stessa in piano o su percorso leggermente accidentato dipenderà dalla capacità; ma se il percorso è caratterizzato da frequenti salite che portino spesso l'assorbimento di corrente al valore limite, a parità di capacità iniziale l'autonomia sarà molto limitata.

Il montaggio degli accumulatori sulle vetture è stato uno dei problemi che più hanno dato da fare a costruttori e gestori di reti. L'accumulatore non è un elemento statico; contiene un liquido che durante il funzionamento subisce trasformazioni chimiche e fisiche, con variazioni di densità e sviluppo di gas, quest'ultimo particolarmente notevole in caso dei eccesso di carica, situazione abbastanza comune negli impianti ai quali ci riferiamo. Il gas deve essere disperso nell'atmosfera e quindi il contenitore delle batterie non può essere ermeticamente stagno, ma deve disporre di opportuni sfiati; ma non deve nemmeno penetrare nella corsia passeggeri e questo è già difficile da ottenere; l'elettrolita, con lo sviluppo di gas e con le scosse durante marcia della vettura tende a trasudare dai contenitori, formando uno strato di umidità fortemente corrosiva e di buona conducibilità elettrica, per cui al fastidio dei gas e della corrosione si aggiunge quello delle correnti di dispersione, che possono risultare anche pericolose per i viaggiatori (ved. il caso di Roma).


Metodi di ventilazione dinamica per le casse accumulatori; a destra una motrice ad accumulatori
della SRTO di Roma che sembra dotata di un aereatore simile ad uno dei due illustrati.

Il montaggio più comune è sempre stato sotto i sedili longitudinali della corsia passeggeri, anche se è proprio quello più soggetto agli inconvenienti citati. Non mancano, naturalmente, altre e più singolari proposte di montaggio, tra le quali ad. es. quella di montare le batterie tra le sale del truck o su un carrello a due assi da far rimorchiare alla motrice.


Montaggio degli accumulatori in un truck tra le sale (per accedere agli stessi occorrerà alzare la cassa della vettura).

Accumulatori Pescetto

Nella sperimentazione della trazione ad accumulatori condotta dalla SRTO a Roma furono impiegate, non si sa se in tutto o in parte, le batterie di accumulatori sistema Pescetto, caratterizzate da una particolare costruzione delle piastre e dall'utilizzazione nell'elettrolita dell'ulmato di ulmina, con un processo sul quale il Pescetto manteneva il più rigoroso segreto e che pare evitasse la riduzione del rendimento in fase di scarica, caratteristica delle batterie al piombo. L'ottima riuscita dell'esercizio di Roma avrebbe condotto l'azienda tramviaria di Parigi all'adozione delle stesse batterie...

Ulmina, una sostanza che si estrae dal tronco dell'olmo (da Dizionario di Fisica e Chimica applicate alle Arti, ecc. di Giovanni Pozzi, 1830). Cosa abbia a che fare questa sostanza con gli accumulatori non si sa.

Le caratteristiche essenziali di una batteria Pescetto sarebbero state le seguenti.

Accumulatore tipo Pescetto II per batterie tipo Roma 2 (denominazione ufficiale del prodotto):

Gli accumulatori sistema Pescetto erano costruiti dalla società Cruto e si ha notizia di una causa per danni intestata dalla SRTO alla suddetta società probabilmente dopo gli inconvenienti presentatisi nella pratica applicazione del sistema a Roma.

Avviamento e regolazione della velocità

L'usuale avviamento reostatico è inadatto, in linea di principio, alla trazione ad accumulatori, non essendo conveniente dissipare energia sulle resistenze; nonostante ciò molte reti lo hanno ugualmente impiegato.


Avviamento reostatico sulle reti di Hannover e Dresden, 1895.
(nello schema originale sono indicati armature e inductance en serie,
che devono invece essere intesi come indotto e induttore del motore M)

Nell'immagine superiore, un esempio di avviamento reostatico in un sistema rete-batteria su motrici a due assi con motore S&H da 15 CV con autonomia di 6 km; l'interruttore C, quasi sempre presente nei circuiti ad accumulatori, permette di isolare completamente la batteria di accumulatori che, se collegata col negativo a massa, potrebbe essere fonte di scosse durante le operazioni di manutenzione a causa degli inevitabili trasudamenti di elettrolita.

Numerosi sistemi sono stati usati almeno per ridurre al minimo la fase reostatica dell'avviamento delle motrici; i due sistemi che hanno trovato applicazione sono

  1. l'accoppiamento in serie o in parallelo di parti della batteria di accumulatori, fermo restando l'analogo accoppiamento dei motori e
  2. l'adozione di motori previsti per operare con forti variazioni di eccitazione.

La figura sottostante riproduce a sinistra lo schema di una disposizione del tipo a): si hanno tre posizioni di marcia economica, ossia (2) motori in serie alimentati da due sezioni di batteria in parallelo fra loro (in pratica da due metà della batteria), (3) motori in serie alimentati dalle sezioni di batteria in serie tra loro e (4) motori in parallelo alimentati come sopra, alle quali va necessariamente aggiunta almeno una posizione (1) di avviamento reostatico non essendo possibile collegare i motori, fermi, direttamente agli accumulatori. La parte destra della figura riporta invece una soluzione di tipo b), nella quale la batteria non è sezionata. Si ha una posizione (1) di avviamento reostatico con i motori in serie alimentati attraverso una resistenza, seguita da una (2) con i motori in serie alimentati direttamente; nella successiva (4) i motori sono collegati in parallelo nel modo usuale, mentre nell'ultima (5) si ha la riduzione di eccitazione.


Avviamento e regolazione con commutazione serie-parallelo delle batterie e con riduzione di eccitazione.

Questi sistemi sono naturalmente applicabili solo a motrici alimentate unicamente da accumulatori; sarebbero difficilmente applicabili a motrici rete e accumulatori, dovendo qui necessariamente restare l'usuale avviamento reostatico per la marcia con alimentazione esterna e la coesistenza con altri sistemi si tradurrebbe in complicazioni eccessive; le motrici per rete e accumulatori mantengono quindi il normale sistema di avviamento e regolazione per entrambi gli esercizi. Occorre anche tenere presente che, in linea di massima, non è mai conveniente suddividere le batterie in due o più sezioni collegandole poi in parallelo: le inevitabili differenze dello stato di carica delle diverse parti possono dar luogo a correnti di circolazione anche di intensità elevata vista la bassa resistenza interna degli elementi, correnti che, come minimo, comportano perdita di energia e limitazione del tempo di funzionamento.

Nella maggior parte dei casi la manovra dei commutatori per il passaggio da rete a batterie e viceversa è demandata al personale di vettura, unitamente all'abbassamento e a innalzamento del trolley. Nel 1899 la Siemens e Halske ha brevettato un sistema che dovrebbe semplificare queste manovre, limitando i possibili errori, il più comune dei quali sembra essere stato, negli impianti a filo di contatto, quello di superare la fine di un tratto di linea aerea trovandosi poi la vettura immobilizzata con il trolley fuori del filo. Nella figura sottostante sono riportati gli schemi originale e quello comprensibile di questo dispositivo.


Dispositivo S.&H. per linee ad archetto.

La vettura è dotata, oltre che degli usuali organi di manovra (controller, invertitore, ecc.) e della batteria di accumulatori, di due commutatori A e B, disegnati nello schema di destra come interruttori separati. Il commutatore B, a disposizione del conducente, permette le combinazioni di marcia indicate nella tabellina (i numeri corrispondono agli interruttori). Il commutatore A è comandato dalla posizione del trolley, che negli impianti Siemens è sempre ad archetto; col trolley regolarmente in contatto col filo (posizione obliqua dell'archetto) è chiuso l'interruttore 1 che alimenta i circuiti di trazione e della batteria oltre a quello di illuminazione interna della vettura attraverso una resistenza R (per evitare la fulminazione delle lampade, previste per dare una luce sufficiente nell'alimentazione a batteria, ossia sotto una tensione minore); col trolley abbassato (marcia su batterie) l'interruttore 2 alimenta invece le lampade senza inclusione della resistenza. Se, in marcia da filo di contatto, il conducente supera la fine della linea, il trolley, disponendosi verticalmente, apre entrambi gli interruttori e la vettura resta non alimentata.

Secondo la fonte della notizia, in questo caso si ridurrebbe ancor più l'intensità della luce delle lampade interne, che si troverebbero alimentate da batteria con resistenza in serie e ciò costituirebbe una segnalazione per il conducente; la cosa è, a dir poco, oscura, perchè non è detto che vettura abbia sempre la luce accesa e che il conducente sia in grado di notare il fenomeno.

Un inconveniente che si verificava spesso nelle reti estese e servite da numerose motrici è l'inversione di corrente nella batteria durante la carica, dovuta a momentanei abbassamenti della tensione di rete, in generale conseguenti a sovraccarico dei generatori o a guasti, caso nel quale il conducente deve provvedere immediatamente all'apertura del circuito di alimentazione; a tale scopo, su molte reti di costruzione Siemens le motrici erano dotate di un indicatore del senso della corrente, in pratica un amperometro a zero centrale senza gradazione, in molti casi dotato un contatto ausiliario che provocava l'apertura di un interruttore elettromagnetico, spesso quello a massima corrente se presente, isolando la batteria e dando una segnalazione acustica. Se poi la tensione di rete, in luogo di abbassarsi, mancava del tutto, le motrici in servizio sulle tratte con alimentazione esterna si trovavano collegate in parallelo tra loro attraverso tratte di conduttore di lunghezza molto variabile, col risultato di avere ancora la circolazione di correnti dirette o inverse tra le varie batterie, con intensità anche notevoli a causa della ridotta resistenza presente tra i rotabili e possibili danni agli accumulatori; ad evitare il fenomeno era talvolta applicato il geniale ritrovato sotto riprodotto, costruito dalla Siemens su idea del Pollak. che risulta applicato ad alcune vetture in servizio sulla rete di Berlino.


Dispositivo di protezione per corrente inversa.

La parte essenziale del circuito è costituita dall'elemento Z, che abbiamo disegnato come un diodo Zener in quanto si comporta esattamente come questo componente (che sarà poi reinventato più di 50 anni dopo...). E' quello che allora si chiamava alveolo o cellula di polarizzazione, costituito da due elettrodi di alluminio e piombo immersi in una soluzione salina; dopo una iniziale formazione ottenuta facendovi circolare una corrente di ridotta intensità, la cellula si comporta come un ordinario diodo, che offre una ridotta resistenza in un senso di polarizzazione ed una resistenza elevata nel senso contrario o di sbarramento; non solo, ma se la tensione nel senso di sbarramento supera un certo limite, la resistenza opposta dalla cellula cade bruscamente (breakdown). Per avviare la vettura con alimentazione dal filo di contatto, il conducente chiude a mano l'interruttore J che resta meccanicamente bloccato e può aprirsi solo con l'eccitazione della bobina B, collegata, con una cellula di polarizzazione Z in serie, in parallelo alla resistenza R presente nel circuito della batteria: fintanto che la corrente nella batteria circola nel senso di carica, la caduta di tensione su R è applicata a Z nel senso di sbarramento e in B non circola corrente (o ne circola una troppo debole per avere effetto); ma se, disgraziatamente, manca la tensione di rete e la batteria tende a scaricarsi, la caduta di tensione su R si inverte di segno, Z conduce e B apre l'interruttore J isolando la batteria. Non solo, ma il sistema garantisce anche contro un eccesso della corrente di carica, che portando all'aumento della caduta di tensione su R porta Z in breakdown e B apre J. Infine, quando la vettura deve essere alimentata dalla batteria, in marcia cioè su tratte prive di filo di contatto, la chiusura dell'interruttore S scavalca tutto il dispositivo e la batteria è direttamente collegata al circuito di trazione; nell'idea dell'inventore, l'interruttore S è automaticamente chiuso dall'abbassamento del trolley.

La tabella seguente riporta alcuni dati sulle linee esercitate o in costruzione, ad accumulatori o in trazione mista, nell'anno 1898, pubblicati su L'éclairage électrique del gennaio 1899, dati che però lo stesso autore segnala provenire da fonte poco affidabile.

Anno 1899, linee tramviarie con esercizio ad accumulatori o misto

linea sist.* acc.
 km
est.
km
num.
vett.
veloc.
km/h
Arad (Ungheria fino al 1918) A   40 1 75#
Berlin A, T     10 15
- id. in costruzione A, T     100  
- id. in costruzione (Charlottenburg) A     10  
Chicago (in costruzione) A     35  
Copenhagen A   7 18 18
Dresden A, T 5,7 2,5 30* 15
- id. in costruzione A, T     40  
Frankfurt A   1,6 4 15
Hagen (pend. 63 per mille) A   8,2 8 15
- id. in costruzione A, T     10  
Halle (in costruzione) A,T     35  
Hannover A, T 16,4* 15,2 60*- 12
- id. in costruzione A, T     80  
Lundwigshafen-Mundesheim A   4,3 2 25
Ludwigsfafen-Neustadt A   30 2 50#
Ludwigshafen-Worms A   43,3    
Paris-Courbevoix A   17,35 35 15
Paris-Pantin-Aubervilliers A, T 7,87 6,78 30 20
Paris-Vincennes-Louvre A     50  
Torino (in costruzione) A, T#     42  
Untertürkheim-Kornwestheim (Württ.) A   11,50    
* A, da accumulatori; T, da rete esterna (filo aereo, condotto, ecc.).
# Dato probabilmente errato.

Estratto da L'elettricista, maggio 1900.

Sul sistema ad accumulatori sono da rilevarsi anzitutto due circostanze di fatto. Il numero limitato di applicazioni esistenti e la mancanza di notizie dettagliate e precise sul comportamento degli elettrodi in quanto specialmente riguarda la loro capacità. In America non esistono quasi linee con accumulatori. A Chicago dove il Comune non vuol concedere nella zona centrale il filo aereo, nessuna delle 7 compagnie di trazione elettrica ivi esistenti ha proposto di risolvere la questione cogli accumulatori. In Europa le città ove da parecchio tempo esistono impianti con accumulatori di una certa importanza sono Hannover, Dresda, Torino, Berlino e Parigi. In quest'ultima città l'impianto sulla linea Opera-St. Denis data dal 1893. Dopo diverse modificazioni inerenti alla capacità e alla posizione delle batterie sulle vetture, è stato finalmente preso il provvedimento di ridurre il peso della batteria a 2200 chilogrammi collocandola in un cassone unico posto al di sotto della cassa della vettura tra gli assi del truck. Con questa disposizione si è riusciti a sopprimere completamente le emanazioni e le proiezioni d'acido nell'interno delle carrozze (...).

Il problema dello sviluppo di gas e delle perdite di elettrolita si fece sentire in modo serio anche nelle ridotte installazioni di Roma ed era dovuto essenzialmente al fatto che non ci si rendeva conto che un accumulatore non può essere collegato direttamente alla sorgente di corrente di ricarica quale che sia il suo stato di carica: un accumulatore completamente scarico equivale ad un corto circuito e, se inserito sulla sorgente di ricarica senza opportuni dispositivi di regolazione e di limitazione, assorbe una corrente esagerata, si riscalda eccessivamente e alla lunga si deteriora potendosi anche deformare le piastre; se poi l'accumulatore carico seguita a mantenersi collegato alla sorgente, la corrente assorbita dà luogo a continuo svolgimento di gas dovuto alla dissociazione dell'elettrolita. In tutti i sistemi di trazione ad accumulatori, le batterie erano semplicemente collegate tra trolley e rotaia, tutt'al più con l'intermediario di un interruttore a massima corrente e da ciò le "emanazioni e proiezioni".

I sistemi ad accumulatori offrono i seguenti vantaggi: nessun ingombro della superficie stradale; indipendenza delle vetture rispetto ai guasti; nessun disturbo a condutture sotterranee. Per contro si hanno i seguenti inconvenienti: maggiore consumo di energia; emanazioni e proiezioni acide inevitabili se non applicando le casse esterne; peso morto assai notevole; consumo maggiore dei binari che devono essere di maggior sezione; dispersione di corrente nelle carrozze che si elettrizzano facilmente quando piove; maggior spesa di esercizio in confronto a tutti gli altri sistemi (...).

Il maggior consumo di energia era dovuto sia allo scarso rendimento degli accumulatori, sia al fatto che, come sopra accennato, gli stessi erano mantenuti costantemente collegati alla sorgente di ricarica; circa il fatto che le carrozze si "elettrizzavano", ciò era senz'altro conseguenza delle "emanazioni e proiezioni" che portavano ad avere un velo di elettrolita su tutte le parti delle casse. Quindi, sembra che

Il sistema a filo aereo è quello che ha dato alla trazione elettrica così notevole e impreveduto impulso. Su 100 impianti esistenti, 91 sono a filo aereo. Gli impianti sono i più facili ad eseguirsi, i più economici e quelli che implicano una minore spesa di esercizio. Detto sistema presenta i seguenti difetti: eventuali rotture di fili con interruzione del servizio; ingombro antiestetico delle strade per fili, ripari, pali, ecc.; disturbi al servizio telefonico e agli apparecchi di misura degli istituti scientifici.

I disturbi ai telefoni erano in massima parte dovuti alla pessima esecuzione dei relativi impianti per i quali ci si ostinava ad impiegare ancora, in molti casi, il ritorno a terra dei circuiti di fonia; circa gli apparecchi di misura degli istituti, non si è mai sentita una tale lagnanza (ma cinquant'anni dopo non si voleva il filo di un impianto di trazione elettrica davanti ad un ospedale, per tema di disturbi ai sofisticatissimi congegni ospedialieri). Concludendo, quindi

Posta fuori discussione la possibilità o la convenienza di impiegare a Roma il sistema a canalizzazione sotterranea e quello a contatti superficiali, la scelta rimane limitata tra i due sistemi in esercizio, cioè accumulatori e filo aereo. Volendo senz'altro eliminare tutti gli inconvenienti attribuiti ai primi, bisognerebbe accettare integralmente la proposta della Giunta e sostituire definitivamente il filo agli accumulatori. però non sembra conveniente, allo stato delle cose, di proporre questa radicale soluzione. E' possibile consigliare un provvedimento che migliori subito il servizio, senza compromettere l'avvenire, tanto più che la possibilità di miglioramenti negli accumulatori viene affermata dalla stessa società Cruto.

In definitiva, una specie di giudizio salomonico: gli accumulatori non vanno bene, ma al momento ce li teniamo. Circa i presunti miglioramenti agli accumulatori promessi dalla Cruto, erano solo chiacchiere, come è dimostrato dal fatto che la SRTO e la Cruto di lì a poco sarebbero finite in tribunale con la richiesta di danni da parte della prima. Ed ecco più in dettaglio cosa si propone:

Colla trasformazione di tre linee a filo e colla trasformazione di due a sistema misto, si otterrebbe un primo miglioramento del servizio attuale, si rispetterebbe il senso estetico là dove questo si impone anche ai più indifferenti e non si condannerebbe un sistema che può certamente essere migliorato. La concessione dovrebbe avere, beninteso, carattere assolutamente provvisorio e, come termine di confronto per eventuali applicazioni di nuovi sistemi, dovrebbe essere conservato nei rispetti tecnici ed economici il sistema di accumulatori adottato dalla Società romana.

Cosa si intende per sistema misto? Una linea parte a filo aereo e parte ad accumulatori, con la vecchia e fallimentare idea di caricare questi ultimi durante la marcia sotto la linea aerea? Ma è proprio quello che fino al momento si era tentato di fare, con le già segnalate conseguenti "emanazioni e proiezioni". L'ultima parte del discorso è alquanto oscura: cosa significa "conservare nei rispetti tecnici", ecc.? Si conclude la faccenda con alcune previsioni e valutazioni di costi:

Tenendo conto di tutto, l'attuazione di questa soluzione condurrebbe ad una economia annua di lire 58.850. Ove il sistema a filo aereo fosse esteso a tutte le linee l'economia annua sarebbe di L. 71.500 o di L. 91.000 a seconda che alla concessione venisse dato carattere provvisorio o definitivo.


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rev. D1 01/11/18