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Sala macchine industriale con compensatori sincroni rete elettrica e cassa cilindrica del volano sottovuoto accoppiata all'asse a 3.000 giri al minuto in una sottostazione ad alta tensione

Compensatori sincroni: i volani che salvano la rete elettrica

Perché Terna ed ENTSO-E installano compensatori sincroni con volani sottovuoto: come masse rotanti da 3.000 rpm stabilizzano i 50 Hz senza produrre un watt.

Ritratto di Chiara Valenti
Scritto da
Editor Grandi Opere, Energia e Territorio

Ricercatrice e divulgatrice in ingegneria civile ed energetica; si occupa di opere strutturali, reti ad alta tensione, nucleare e geoingegneria.

Informazioni sull’autore

Chiara Valenti segue le grandi infrastrutture civili, i sistemi elettrici di potenza e gli interventi di ingegneria ambientale su scala territoriale. Scrive di come si gettano le fondazioni di un ponte in acqua tramite ture stagne, di come i condensatori sincroni stabilizzano le reti ad alta quota di rinnovabili, della manutenzione dell'arco di contenimento di Chernobyl e degli effetti collaterali dei grandi progetti ecologici. Le sue analisi si basano su paper strutturali, rapporti tecnici di Terna ed ENTSO-E, bollettini IAEA e rilievi geologici.

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Un compensatore sincrono è un grande alternatore privo di turbina che gira a vuoto nella rete ad alta tensione senza immettere potenza attiva: anziché generare elettricità, usa l'energia cinetica del proprio rotore e di pesanti volani sottovuoto per frenare i crolli di frequenza attorno ai 50 Hz e regolare la tensione.[1][3] Nel febbraio 2025 il raggruppamento formato da Ansaldo Energia, Hitachi Energy e Lucente Mario SpA ha firmato con Terna un contratto da circa 300 milioni di euro per cinque nuove unità da 250 MVAR, portando a 15 i compensatori sincroni del costruttore genovese distribuiti su 13 impianti in Italia.[1][2] Se un tempo la stabilità elettromeccanica era un sottoprodotto gratuito delle centrali termoelettriche a vapore o a gas, l'avanzata di parchi fotovoltaici ed eolici collegati tramite inverter costringe oggi i gestori europei a comprare inerzia pura.
Potenza reattiva unitaria
250 MVAR
Taglia dei 5 compensatori ordinati da Terna nel 2025 per circa 300 milioni €[1]
Soglia critica di RoCoF
1 Hz/s
Derivata di frequenza oltre cui una rete separata rischia il blackout[7]
Inerzia a Moneypoint
4.000 MWs
Energia cinetica totale del gruppo irlandese con volano da oltre 130 t[10]
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Perché una rete piena di inverter perde il suo ammortizzatore fisico

La frequenza di una rete elettrica in corrente alternata resta stabile a 50 Hz solo finché la potenza meccanica immessa nei generatori eguaglia istante per istante la potenza elettrica prelevata dai carichi.[7] Bastano pochi millisecondi di squilibrio per far scivolare il sistema. Nelle centrali termoelettriche, nucleari o idroelettriche tradizionali, gli alternatori sono vincolati magneticamente alla rete: quando scatta un elettrodotto o va fuori servizio una centrale, tutte le masse rotanti collegate cedono una frazione della propria energia cinetica, frenando la caduta dei cicli al secondo prima che si aprano le valvole del vapore.[10]
Con la diffusione di impianti fotovoltaici ed eolici, caratterizzati da produzione discontinua e non programmabile, questa riserva meccanica si assottiglia.[18] I moduli solari non hanno parti in movimento e le turbine eoliche si interfacciano alla rete attraverso convertitori elettronici che isolano il rotore dai 50 Hz. Come sintetizza Katie Wall, Lead Engineer di ESB nell'impianto irlandese di Moneypoint, sostituire i gruppi convenzionali con le rinnovabili trasforma la rete da un'autostrada sicura a una fune sospesa, dove serve una rete di sicurezza meccanica.[17]
Il parametro che misura la fragilità di un sistema a bassa inerzia è il RoCoF (Rate of Change of Frequency), cioè la rapidità con cui varia la frequenza in hertz al secondo dopo un guasto.[7] Negli studi del progetto Inertia Phase II sull'Europa Continentale, ENTSO-E ha mappato 452 configurazioni di separazione della rete (system split), pari a quasi 4 milioni di casi orari per ciascuno dei sei scenari simulati: in 358 configurazioni il superamento della soglia di 1 Hz/s in valore assoluto su entrambe le isole elettriche, o l'uscita dalla fascia 47,5–51,5 Hz, può innescare il blackout totale.[7][9]

445 GWs

Energia cinetica aggiuntiva massima stimata da ENTSO-E nello scenario 2030 per scongiurare i blackout da separazione della rete continentale europea, pari a 255 compensatori sincroni da 250 Mvar.[8]
Per azzerare tutte le separazioni severe nello scenario europeo al 2030, ENTSO-E stima un fabbisogno massimo aggiuntivo di 445 GWs di energia cinetica sull'area continentale, equivalente a 255 compensatori sincroni da 250 Mvar con costante H pari a 7 MWs/MVA.[8] La tenuta della frequenza diventa ancora più severa quando sulla rete si concentrano carichi ripidi e continui come l'assorbimento energetico dei server IA, che esigono margini dinamici molto stretti.

Come funziona un compensatore sincrono che gira a vuoto

Un compensatore sincrono è costruttivamente identico a un alternatore ad alta tensione, ma il suo albero d'acciaio non è collegato né a una turbina motrice né a un carico meccanico.[13] Gira letteralmente a vuoto. Una volta portato alla velocità di sincronismo di 3.000 giri al minuto per i sistemi a 50 Hz, rimane agganciato magneticamente alla rete di trasmissione comportandosi come un motore sincrono senza carico sull'asse.[5][13]
Per accelerare da fermo il rotore fino ai 3.000 giri/min prima della chiusura dell'interruttore di parallelo, la stazione usa un motore elettrico ausiliario controllato in frequenza (pony motor) oppure un convertitore statico di frequenza (SFC, Starting Frequency Converter).[13] A regime la macchina non genera watt: preleva invece dalla rete il 2–3% di potenza attiva per coprire le perdite elettriche e meccaniche interne.[16] È una dinamica affine al trascinamento meccanico e freno motore nei veicoli, dove l'albero ruota per inerzia senza bruciare carburante, ma qui il rotore cede o assorbe megawatt-secondi nell'istante in cui la frequenza di rete accelera o rallenta.
Oltre alla risposta inerziale, il controllo della corrente continua negli avvolgimenti del rotore modula il campo magnetico della macchina, trasformandola in un regolatore continuo di potenza reattiva (MVAR):[6][15]
  • Sovraeccitazione e sottoeccitazione: alzando l'eccitazione la macchina inietta MVAR per sostenere la tensione, mentre riducendola assorbe la potenza reattiva in eccesso, come nelle unità da +250 / -125 MVAr di Brindisi.[6]
  • Risposta intrinseca ai cali di tensione: mentre la potenza reattiva di un banco di condensatori cala quando la tensione di rete scende, quella erogata da un compensatore sincrono aumenta intrinsecamente proprio durante l'abbassamento di tensione.[15]
  • Forzamento del campo (field forcing) e corrente di cortocircuito: durante un buco di tensione il sistema può spingere corrente e tensione di eccitazione a 2–2,5 volte il valore nominale fino a 10 secondi, iniettando la corrente di cortocircuito che serve a far scattare le protezioni.[13][19]

Volani sottovuoto: il limite fisico dell'acciaio a 3.000 giri al minuto

Poiché a un compensatore sincrono manca la pesante turbina a vapore o a gas delle centrali tradizionali, i costruttori accoppiano all'albero del generatore un volano d'acciaio progettato per moltiplicare l'energia cinetica rotante.[3][4] Nei gruppi standard di Ansaldo Energia, un disco di oltre 2 metri di diametro aggiunge circa 1,35 GVAs di inerzia all'albero, portando ciascuna linea d'asse da 250 MVAr oltre 1,75 GVAs a 19 kV.[4][5]
A 3.000 giri al minuto il bordo esterno di un cilindro di oltre due metri viaggia a velocità supersonica. Nell'aria libera, l'attrito aerodinamico brucerebbe megawatt di potenza in calore.[3] Per azzerare quasi del tutto le perdite di ventilazione (windage losses), il volano ruota dentro una camera ad alto vuoto sigillata con tenute a liquido, una soluzione adottata anche sui cinque nuovi impianti ordinati da Terna nel 2025.[3][4]
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Il record mondiale di questa tecnologia si trova a Moneypoint, in Irlanda, dove un rotore da oltre 66 tonnellate è unito a un volano da oltre 130 tonnellate con un momento d'inerzia di circa 70.000 kg·m².[10][11] Da solo quel cilindro accumula circa 3.500 MWs di energia cinetica, che arrivano a 4.000 MWs con il generatore.[10][11] Oltre questa soglia cede l'acciaio: la resistenza meccanica dei materiali fissa il tetto dei volani a circa 3.500 MWs nelle reti a 50 Hz e a 2.000 MWs in quelle a 60 Hz, un vincolo strutturale ben noto negli approfondimenti su energia e reti elettriche.[12]

La mappa dei compensatori in Italia e la seconda vita delle centrali dismesse

La penisola italiana, allungata verso i poli rinnovabili del Sud e le grandi isole, ha costruito in dieci anni una delle reti di compensazione sincrona più dense d'Europa, come documentano le analisi infrastrutturali di Chiara Valenti. Dopo i primi due gruppi da 250 MVAr attivati nel 2014 a Codrongianos in Sardegna (3.000 rpm, 19 kV), dal dicembre 2020 sono entrati in esercizio i due compensatori con volano di Brindisi (+250 / -125 MVAr e 1.750 MWs ciascuno) e otto unità da 250 MVAr con oltre 1,75 GVAs per asse distribuite tra Matera, Foggia, Garigliano, Suvereto, Candia e Villanova.[5][6][20]
Accanto ai cantieri nuovi di fabbrica, molti gestori scelgono la riconversione di centrali termoelettriche o nucleari dismesse, recuperando alternatore, trasformatore e connessione ad alta tensione.[14][21] Nel 2013 in Germania, dopo lo spegnimento nucleare post-Fukushima, un'unità da 2,5 GW della centrale di Biblis è rinata come compensatore sincrono rotante.[21]
ImpiantoConfigurazioneInerzia e potenza reattiva
Codrongianos (IT, 2014)2 unità a 3.000 rpm, 19 kV2 x 250 MVAr per supporto rete sarda[20]
Brindisi (IT, 2020)2 unità con volano+250 / -125 MVAr e 1.750 MWs per unità[6]
Moneypoint (IE)Rotore >66 t + volano >130 t4.000 MWs totali (3.500 MWs dal solo volano)[10][11]
Biblis (DE, 2013)Riconversione ex gruppo nucleare 2,5 GWCompensatore sincrono rotante su rete tedesca[21]
Negli impianti a gas o a vapore chiamati a produrre solo nelle ore di punta, si installa invece una frizione SSS (Synchro-Self-Shifting clutch) tra turbina e generatore, spesso affiancata da un volano.[14][22] L'innesto cambia assetto in corsa. Quando il sole o il vento bastano a coprire la domanda, la frizione si apre a macchina già connessa: la turbina si ferma e l'alternatore continua a girare sulla rete come compensatore sincrono.[22]

Domande frequenti

A cosa servono i compensatori sincroni nella rete elettrica se non producono watt?
Un compensatore sincrono ruota a vuoto a 3.000 giri/min in sincronismo con i 50 Hz senza turbina né carico meccanico: fornisce istantaneamente energia cinetica (inerzia) per frenare le variazioni di frequenza, inietta corrente di cortocircuito per far intervenire le protezioni e regola con continuità la potenza reattiva (MVAR) per stabilizzare la tensione.

Perché gli impianti fotovoltaici ed eolici riducono l'inerzia di rete?
I pannelli solari sono privi di masse rotanti e gli aerogeneratori sono collegati tramite inverter elettronici che disaccoppiano meccanicamente le pale dalla frequenza dei 50 Hz. Sostituendo i pesanti alternatori delle centrali termoelettriche con fonti rinnovabili non programmabili, diminuisce l'energia cinetica complessiva che si oppone fisicamente agli sbalzi di frequenza.

Che cos'è il RoCoF e perché il limite di 1 Hz/s preoccupa ENTSO-E?
Il RoCoF (Rate of Change of Frequency) indica la velocità in hertz al secondo con cui cambia la frequenza subito dopo un guasto o una perdita di generazione. Secondo i rapporti ENTSO-E sull'Europa Continentale, se durante una separazione di sistema il RoCoF supera 1 Hz/s in valore assoluto o la frequenza esce dalla fascia 47,5–51,5 Hz, l'isola elettrica rischia il blackout totale.

Perché il volano dei compensatori sincroni ruota dentro una camera a vuoto?
Per moltiplicare l'inerzia fino a 1,75–4,0 GVAs si accoppia sull'albero un cilindro d'acciaio di oltre 2 metri di diametro e decine di tonnellate che gira a 3.000 giri/min. A quella velocità l'attrito aerodinamico con l'aria genererebbe perdite di megawatt e surriscaldamento; la camera ad alto vuoto con tenute a liquido abbatte la resistenza dell'aria, contenendo l'assorbimento attivo dell'impianto intorno al 2–3%.

Qual è il limite massimo di grandezza per un volano di compensazione sincrona?
Il limite è fissato dalla resistenza meccanica dell'acciaio alle sollecitazioni centrifughe: nelle reti a 50 Hz (3.000 giri/min) un singolo volano può immagazzinare al massimo circa 3.500 MWs di energia cinetica, come nell'impianto da oltre 130 tonnellate di Moneypoint in Irlanda, mentre nelle reti a 60 Hz (3.600 giri/min) la soglia scende a circa 2.000 MWs.

Come si riconverte una centrale termoelettrica o nucleare dismessa in compensatore sincrono?
Si mantiene l'alternatore esistente collegato al trasformatore ad alta tensione, disaccoppiandolo dalla turbina (o inserendo una frizione automatica SSS) e aggiungendo un motore di lancio o un convertitore statico di frequenza per portarlo a 3.000 giri/min, come realizzato nel 2013 sull'ex unità nucleare da 2,5 GW di Biblis in Germania.

Per approfondire

Fonti

22 riferimenti Mostra
  1. Ansaldo Energia — 5 nuovi compensatori sincroni per Terna (2025) (si apre in una nuova scheda)

    «Lo scopo di fornitura di Ansaldo Energia include la progettazione, la fornitura, la messa in servizio e le attività di manutenzione e assistenza di cinque compensatori sincroni da 250 MVAR ognuno, da installare e mettere in servizio entro i prossimi 5 anni.»

  2. Ansaldo Energia — Contratto RTC Terna per cinque compensatori sincroni (si apre in una nuova scheda)

    «L’RTC ha sottoscritto un ordine da Terna per cinque compensatori sincroni, per un valore complessivo di circa 300 milioni di euro.»

  3. Ansaldo Energia — Sistema volano in camera a vuoto (si apre in una nuova scheda)

    «Tutti i nuovi compensatori sincroni saranno dotati del “sistema volano”, un’innovazione progettata e realizzata da Ansaldo Energia in grado di aumentare l’inerzia del sistema rotante minimizzando le perdite meccaniche grazie a una camera a vuoto che riduce al minimo le perdite causate dall’attrito dell’aria.»

  4. Ansaldo Energia — Synchronous Condensers Technical Brochure (si apre in una nuova scheda)

    «The standard referenced flywheel, with more than 2 meters in diameter, gives an addition of about 1.35 GVAs inertia to the synchronous condenser shaft and it is accompanied by an innovative liquid seal technology allowing for high vacuum operation, thus minimizing windage losses.»

  5. Ansaldo Energia — Installazioni Terna da 250 MVAr con volano (si apre in una nuova scheda)

    «MATERA, FOGGIA, GARIGLIANO, SUVERETO, CANDIA, VILLANOVA PROTECT DATA 8 x 250 MVAr with flywheel Inertia: more than 1.75 GVAs each shaftline Speed: 3000 rpm Voltage: 1 9 kV Operation year (units connected to grid) : Since Dec. 2020»

  6. ENTSO-E Technopedia — Synchronous Condenser (Brindisi) (si apre in una nuova scheda)

    «Two synchronous condensers and flywheel are provided to Terna for the Brindisi substation in southern Italy. Each synchronous condenser unit supplies reactive power of up to + 250 / – 125 MVAr and 1750 MWs inertia to support the stability of Italy’s grid.»

  7. ENTSO-E — Project Inertia Phase II First Report (si apre in una nuova scheda)

    «Each island created by the system split can blackout either due to a RoCoF higher in absolute value to 1 Hz/s or by a frequency exceeding the frequency band of 47.5 –51.5 Hz.»

  8. ENTSO-E — Fabbisogno di energia cinetica nello scenario NT2030 (si apre in una nuova scheda)

    «If all Global Severe Splits were to be solved for the scenario NT2030, the following maximum additional kinetic energy would be required on the RGCE synchronous area level (Figure 8): 445 GWs, which corresponds to an equivalent of 255 synchronous condensers (SCs) of 250 Mvar and H=7 MWs/MVA.»

  9. ENTSO-E — Configurazioni di system split nell'Europa Continentale (si apre in una nuova scheda)

    «There are 452 ways to split the graph of CE (system split configurations) which, multiplied by the number of hours in a year, represents almost 4 million systems splits cases for each of the six scenarios. 358 split configurations may create a total blackout due to the RoCoFs (both |RoCoF| > 1 Hz/s) at least in one hour.»

  10. Siemens Energy — Ireland's Great Grid Stabilizer (Moneypoint) (si apre in una nuova scheda)

    «“Together, the flywheel and the synchronous condenser have an inertia of 4,000 megawatt-seconds,” says Wall. “So, what’s that in reality? It’s a flywheel that weighs over 130 tons and a synchronous condenser with a rotor that weighs over 66 tons – a huge weight spinning at 3,000 rpm, acting as a stabilizer and allowing us to connect more wind power to the grid.”»

  11. Siemens Energy — Momento d'inerzia del volano di Moneypoint (si apre in una nuova scheda)

    «The world's largest flywheel, installed at Moneypoint in Ireland, boasts a moment of inertia of around 70,000 kgm², translating to an impressive kinetic energy of approximately 3,500 MWs.»

  12. Siemens Energy — Synchronous Condenser Product Sheet (limiti materiali) (si apre in una nuova scheda)

    «Material strength limits the maximum size of flywheels. The largest flywheel can be up to a kinetic energy of approx. 3500 MWs in 50Hz and 2000MWs in 60 Hz.»

  13. Siemens Energy — Avviamento con pony motor e SFC (si apre in una nuova scheda)

    «It is started up and stopped with a frequency-controlled electric motor (pony motor) or a starting frequency converter. When the generator has reached operating synchronous speed, it will be synchronized with the transmission network, and the machine is operated as a motor providing reactive and short-circuit power to the transmission network.»

  14. Siemens Energy — Rotating Grid Stabilizer e frizione SSS (si apre in una nuova scheda)

    «For maximum flexibility, you can couple a gas or steam turbine with an additional SSS (Synchro-Self-Shifting) clutch between the generator and the turbine. The option also exists to add additional inertia with a flywheel coupled to the existing shaft line.»

  15. Wikipedia — Synchronous condenser (confronto con banchi di condensatori) (si apre in una nuova scheda)

    «Reactive power from a capacitor bank decreases when grid voltage decreases while the reactive power from a synchronous condenser inherently increases as voltage decreases.»

  16. Wikipedia — Synchronous condenser (consumo di potenza attiva) (si apre in una nuova scheda)

    «Synchronous condenser facilities consume 2-3% in active power to power itself due to mechanical and electrical losses in the installation itself.»

  17. Siemens Energy — Katie Wall (ESB) sulla stabilità di rete (si apre in una nuova scheda)

    «“Imagine your electricity grid as a motorway,” says Katie Wall. “With conventional forms of generation, you won’t fall off that motorway. But drop those forms in favor of renewables, and suddenly your grid is a tightrope. At some point you’re going to lose your balance, right? And you’ll need a safety net.”»

  18. Ansaldo Energia — Dichiarazione su rinnovabili e stabilità (si apre in una nuova scheda)

    «“Questo progetto conferma l’impegno del Gruppo Ansaldo Energia nell’assicurare la stabilità della rete elettrica a fronte della crescente diffusione di impianti da fonti rinnovabili, per loro natura soggetti a discontinuità e non programmabilità della potenza erogata”, dichiara Stefano Gianatti, Executive Vice President Thermal New Units di Ansaldo Energia.»

  19. ENTSO-E Technopedia — Field forcing capability (si apre in una nuova scheda)

    «With proper design, the device can supply multiple times (typically 2–2.5 times) the rated field current and voltage (field forcing capability) for up to 10 seconds, offering dynamic voltage recovery support during depressed grid voltage conditions.»

  20. ENTSO-E Technopedia — Impianto di Codrongianos in Sardegna (si apre in una nuova scheda)

    «2 × 250 MVAr synchronous condensers for stabilising the Sardinian grid. Speed: 3000 rpm. Voltage: 19 kV.»

  21. ENTSO-E Technopedia — Riconversione centrale nucleare di Biblis (si apre in una nuova scheda)

    «After the governmental decision to shut down the nuclear power plants in Germany following the Fukushima incident, one of the generating units of the 2.5 GW Biblis nuclear power plant was converted into a rotating synchronous condenser.»

  22. Ansaldo Energia — Disaccoppiamento turbina-generatore con frizione (si apre in una nuova scheda)

    «It is also possible to switch from Power Mode to Synchronous Condenser Mode by disengaging the clutch when the turbine is already supplying power to the grid. In this case, the turbine is shut down, while the generator remains connected to the grid, working as synchronous condenser.»

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