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Energia e Reti Elettriche

Centrali idroelettriche di pompaggio: batterie d'acqua di rete

Come funzionano le centrali idroelettriche di pompaggio: due bacini, una turbina Francis reversibile, un rendimento del 70-80% e 7,6 GW di accumulo in Italia.

Centrale idroelettrica di pompaggio vista dall'alto: bacino superiore alpino, condotta forzata lungo il versante e centrale a valle al tramonto

A Entracque ci sono 1.000 m di dislivello fra centrale e diga del Chiotas, con due serbatoi da 42 milioni di m³ complessivi.

Una centrale di pompaggio non produce energia: la sposta nel tempo, perché la stessa macchina solleva l'acqua in un bacino alto quando la rete ha surplus e la fa ricadere quando serve potenza, con le turbine che girano al contrario in fase di pompaggio.[1] Il conto non torna mai in pari, perché in media si recupera il 79% di quanto si assorbe,[2] ma in Italia questa perdita è il prezzo dell'unico accumulo di rete davvero grande: quasi tutta la capacità esistente, circa 7,6 GW secondo Terna, è pompaggio.[3] Serve però un dislivello naturale fra due bacini, e la pianura non lo offre.
Pompaggi in Italia
7,6 GW
Quasi tutto l'accumulo di rete, rapporto Terna 2021[3]
Rendimento medio USA
79%
Media mensile degli impianti statunitensi, dati EIA 2019[2]
Salto a Entracque
1.000 m
Dislivello fra la centrale e la diga del Chiotas[4]

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Due bacini e una macchina che lavora in entrambi i sensi

Una centrale di pompaggio è una coppia di bacini a quote diverse: l'acqua che scende attraverso una turbina genera elettricità, e lo stesso impianto assorbe energia dalla rete per riportarla su.[5]
A Entracque, Enel Green Power gestisce un impianto in cui la turbina funziona anche da pompa e sposta l'acqua da un serbatoio all'altro.[6] Fra la centrale e la diga del Chiotas ci sono 1.000 m di dislivello,[4] e i due serbatoi trattengono insieme 42 milioni di m³ d'acqua.[7]
Ogni metro cubo che scende di 1.000 m cede circa 2,7 kWh teorici. Poco. Per questo contano i volumi: milioni di metri cubi, cioè un lago. In ricarica il verso di rotazione si inverte,[1] e il principio è tutt'altro che recente, visto che i primi usi noti del pompaggio risalgono agli anni Novanta dell'Ottocento, in Italia e in Svizzera.[8]
La giornata di un impianto si legge come un bilancio di quote. Nelle ore in cui l'energia abbonda e costa poco il gruppo lavora da pompa e porta acqua al bacino alto, che diventa una riserva di energia potenziale; nelle ore di picco apre le valvole, l'acqua scende nella condotta forzata e il gruppo torna a generare.[5] La rete vede solo il risultato: un grande carico che si accende quando c'è surplus e una grande centrale che si accende quando manca potenza.

La macchina reversibile: Francis, ternario e velocità variabile

Le centrali di pompaggio usano in genere gruppi reversibili turbina-alternatore con girante di tipo Francis, che lavorano da pompa o da turbina secondo il verso di rotazione, e l'alternatore fa da motore quando l'acqua va risalita.[9] La scelta di una sola macchina con due mestieri evita di duplicare girante e alternatore, e il compromesso è che la stessa girante deve funzionare bene in entrambi i versi. Voith sviluppò la prima grande pump-turbine monostadio nel 1937,[10] e oggi le macchine coprono salti fino a 800 m e potenze unitarie da meno di 10 a 500 MW.[11]

Reversibile o ternario

Il gruppo reversibile ha una sola macchina idraulica, una sola macchina elettrica e un solo albero, e inverte il verso di rotazione per passare da una modalità all'altra.[30] Il gruppo ternario ha invece due macchine idrauliche, turbina e pompa, accoppiate sullo stesso albero con un solo motore-generatore.[31] Il ternario è spesso l'unica soluzione per i salti molto alti, ma si applica anche a salti minori.[32]
Nel ternario il verso non cambia. Il passaggio fra le modalità richiede poco tempo e la risposta alla rete è più rapida.[33] Il prezzo è alto: costi di costruzione superiori di circa il 25% a quelli di un reversibile,[34] contro un guadagno di rendimento probabile del 2-3%.[35]

Velocità fissa e velocità variabile

A velocità fissa il motore-generatore è collegato alla frequenza di rete e la potenza assorbita in pompaggio resta costante.[36] Non si regola. Con una macchina asincrona a doppia alimentazione e un convertitore di frequenza la potenza di pompaggio si regola invece variando la frequenza di alimentazione:[38] secondo la TU Graz è lo stato dell'arte della velocità variabile.[37] A Goldisthal, in Germania, sono installati 1.060 MW[12] e due dei quattro gruppi Francis lavorano a velocità variabile, così la potenza assorbita in ricarica si regola in modo continuo[13] e l'impianto può seguire la rete anche mentre riempie il bacino.
Come le altre centrali idroelettriche, un pompaggio risponde alle variazioni di carico nell'ordine dei secondi,[14] mentre nel pompaggio convenzionale i tempi di cambio modalità sono lenti e il rendimento a carico parziale è basso.[39] Un gruppo sincrono in rotazione porta inoltre inerzia alla rete, lo stesso principio per cui si installano i compensatori sincroni.

Puro, misto, aperto, chiuso: le etichette dei pompaggi

Due criteri bastano a classificare gli impianti: quanta acqua arriva dalla natura al bacino alto e se il sistema è collegato a un corpo idrico naturale.
  • Pompaggio puro: gli apporti naturali al serbatoio superiore sono in media sotto il 5% del volume turbinato in un anno.[15]
  • Pompaggio misto: gli apporti naturali superano quella soglia, perché il bacino alto riceve anche acqua da fiumi e precipitazioni.
  • Open-loop: il sistema ha una connessione idrologica permanente con un corpo idrico naturale.[16]
  • Closed-loop: due bacini isolati, senza quel collegamento.
Nei pompaggi la stessa coppia di serbatoi serve pompe e turbine, e il ciclo si può ripetere a volontà.[17] Il vincolo è la geografia, perché serve un salto utile fra i due bacini.
La distinzione conta nell'esercizio. Un impianto puro dipende quasi per intero dall'energia che compra per pompare, mentre uno misto può produrre anche con l'acqua che arriva da sola, e in un sistema closed-loop la quantità d'acqua in gioco resta quella dei due bacini, senza prelievi continui da fiumi o laghi. Un impianto puro è quindi una batteria nel senso stretto del termine, un misto resta in parte una centrale idroelettrica che ha imparato anche a pompare.

Quanto restituisce davvero: il rendimento di ciclo

Il rendimento di ciclo è la quota di elettricità immessa in accumulo che si riottiene poi,[18] e per un pompaggio sta fra il 70 e l'80%.[19] La media mensile degli impianti statunitensi è stata del 79%,[2] contro il massimo dell'82% che Voith dichiara per i propri impianti[20] e il 75% che Terna adotta come valore di riferimento nel MACSE (Meccanismo di Approvvigionamento di Capacità di Stoccaggio Elettrico, le aste competitive con cui Terna approvvigiona capacità di accumulo),[40] con coefficienti da 0,96 (70%) a 1,04 (80%).[21]
In pratica per riavere 79 MWh se ne assorbono 100. I 21 persi si pagano con la differenza di prezzo: la centrale conviene solo se l'energia comprata nelle ore di surplus costa abbastanza meno di quella venduta nei picchi. Il pompaggio vive di rete e di mercato più che di tecnologia.
Sulla taglia, la flotta statunitense conta circa 22 GW di potenza e 550 GWh di energia accumulabile,[22] cioè, dividendo i due valori, in media circa 25 ore di scarica a piena potenza, e vale l'88% di tutto lo stoccaggio di rete negli Stati Uniti.[23]
La durata è il punto di forza, ma le due cifre misurano cose diverse: le 25 ore sono una media dell'intera flotta statunitense, mentre Terna descrive il pompaggio come tecnologia matura, con una capacità di stoccaggio che per i bacini più ampi arriva nell'ordine di settimane.[24] Per accumuli stagionali, di mesi, servono altri vettori, come l'idrogeno nelle caverne saline.

Il pompaggio in Italia: dal surplus notturno al surplus delle rinnovabili

Il parco italiano è quasi tutto l'accumulo di rete del Paese: circa 7,6 GW secondo il Rapporto di adeguatezza 2021 di Terna,[3] e il Rapporto 2025 indica ancora i pompaggi come la parte principale degli accumuli esistenti.[41] Una tesi del Politecnico di Milano sugli impianti oltre i 10 MW stima circa 6,4 GW in pompaggio, 7,3 GW in generazione e 53 GWh di energia accumulabile: è una stima aggregata di ricerca, non un dato ufficiale di Terna.[42] La prima asta MACSE, il 30 settembre 2025 con consegna nel 2028, ha assegnato 10 GWh di accumuli,[43] mentre quella dedicata ai pompaggi non sarà bandita nel 2026.[44]
I pompaggi hanno lavorato soprattutto di notte, quando la Francia esportava surplus nucleare a prezzi vicini allo zero.[25]
Il surplus da compensare sta cambiando natura: con più fotovoltaico ed eolico, Terna descrive un fenomeno crescente di overgeneration strutturale e di congestioni di rete.[26] Gli accumuli assorbono l'energia nei periodi di eccesso o di congestione e la rilasciano quando le rinnovabili calano,[27] e il MACSE si rivolge proprio all'overgeneration, la produzione che supera la domanda, e allo spostamento dell'energia nel tempo.[28]
A Entracque la centrale stabilizza la rete e consente di usare più fonti rinnovabili non programmabili.[29] A differenza del black start, dove le unità idroelettriche e turbogas riavviano la rete dopo un blackout, qui non c'è emergenza ma un ciclo giornaliero di prezzo e carico.
Sottostazione ad alta tensione a 380 kV di notte, collegata a una centrale idroelettrica alpina durante la manovra di black start

Da leggere · Energia e Reti Elettriche

Black start: perché una centrale spenta non riparte da sola

Il pompaggio non crea energia pulita da solo: restituisce quella che la rete gli affida, e il suo valore dipende da quanto è lontano il prezzo dell'ora di surplus da quello dell'ora di picco. Con la quota di fotovoltaico ed eolico in crescita quella distanza tende ad aumentare, e con essa l'interesse per bacini nuovi o per impianti esistenti riconvertiti a gruppi reversibili.
La regola per capire se un sito funziona resta quella fisica dell'inizio: volume d'acqua per dislivello, meno circa un quinto di perdite.

Domande frequenti

Come funzionano le centrali idroelettriche di pompaggio?
Due bacini a quote diverse sono collegati da una condotta: nei picchi l'acqua scende e fa girare una turbina, nelle ore di surplus lo stesso gruppo gira al contrario e la risolleva. Il risultato è energia accumulata in forma di acqua in quota.

Qual è il rendimento di una centrale di pompaggio?
Il rendimento di ciclo sta in genere fra il 70 e l'80%: per restituire 79 MWh se ne assorbono circa 100. I costruttori dichiarano fino all'82% per gli impianti più efficienti.

Che differenza c'è fra pompaggio puro e pompaggio misto?
Nel pompaggio puro gli apporti naturali al bacino alto sono in media sotto il 5% del volume turbinato in un anno. Nel misto sono superiori, perché il bacino riceve anche acqua da fiumi e precipitazioni.

La stessa turbina fa da pompa e da generatore?
Nei gruppi reversibili sì: la macchina, di norma una pump-turbine di tipo Francis, cambia verso di rotazione e l'alternatore diventa motore. Nei grandi impianti esistono anche soluzioni a velocità variabile, che regolano la potenza assorbita in pompaggio.

Un impianto di pompaggio può sostituire le batterie chimiche?
Non le sostituisce, le affianca. Le batterie si installano quasi ovunque, mentre il pompaggio richiede un dislivello naturale, ma offre durate molto più lunghe: secondo Terna fino a settimane, in funzione dell'ampiezza dei bacini.

Perché in Italia i pompaggi lavorano soprattutto di notte?
Storicamente perché di notte la domanda è bassa e la Francia esportava surplus nucleare a prezzi vicini allo zero. Con più fotovoltaico ed eolico cresce l'overgeneration strutturale descritta da Terna, e il momento di pompare non coincide più solo con la notte.

Fonti

44 riferimenti Mostra
  1. energy.gov — How pumped storage hydropower works (si apre in una nuova scheda)

    «the turbines spin backward to pump the water back into the upper reservoir»

  2. renewableenergyworld.com (si apre in una nuova scheda)

    «Pumped-storage hydroelectric facilities in the U.S. operated with an average monthly round-trip efficiency of 79%»

  3. download.terna.it — Terna Rapporto Adeguatezza Italia 2021 8d9a51d27ad741c.pdf (si apre in una nuova scheda)

    «Ad oggi la capacità di accumulo esistente è quasi totalmente costituita da impianti di pompaggio, con una capacità di circa 7,6 GW»

  4. enelgreenpower.com (si apre in una nuova scheda)

    «The elevation difference between the power plant and the Chiotas dam is 1,000 meters»

  5. energy.gov — Pumped storage hydropower (si apre in una nuova scheda)

    «It is a configuration of two water reservoirs at different elevations that can generate power as water moves down from one to the other (discharge), passing through a turbine.»

  6. enelgreenpower.com (si apre in una nuova scheda)

    «The facility is a pumped storage plant where the turbine also works as a pump to move the water from one reservoir to another.»

  7. enelgreenpower.com (si apre in una nuova scheda)

    «There are also two reservoirs that together hold 42 million cubic meters of water.»

  8. energy.gov — Pumped storage hydropower (si apre in una nuova scheda)

    «The first known use cases of PSH were found in Italy and Switzerland in the 1890s»

  9. en.wikipedia.org (si apre in una nuova scheda)

    «Pumped storage plants usually use reversible turbine/generator assemblies, which can act both as a pump and as a turbine generator (usually Francis turbine designs).»

  10. voith.com — Pumped storage plants (si apre in una nuova scheda)

    «In 1937, Voith developed the first large, single-stage pump turbine, which operated both as a turbine for energy generation and in the reverse direction as a pump.»

  11. voith.com — Pumped storage plants (si apre in una nuova scheda)

    «pump turbines can be installed at sites with heads up to 800 meters and with unit capacities ranging from less than 10 to 500 megawatts»

  12. voith.com — Goldisthal germany (si apre in una nuova scheda)

    «Total capacity installed: 1060 MW»

  13. voith.com — Goldisthal germany (si apre in una nuova scheda)

    «By means of the variable-speed control, power input during pumping can be controlled continuously.»

  14. en.wikipedia.org (si apre in una nuova scheda)

    «Pumped storage plants, like other hydroelectric plants, can respond to load changes within seconds.»

  15. download.terna.it — Ricognizione Pompaggi 8dd210cac84e889.pdf (si apre in una nuova scheda)

    «Impianti di pompaggio puro – Gli apporti naturali che alimentano il serbatoio superiore sono in media inferiori al 5% del volume d'acqua mediamente turbinata in un anno»

  16. energy.gov — Pumped storage hydropower (si apre in una nuova scheda)

    «Open-loop PSH has an ongoing hydrologic connection to a natural body of water.»

  17. download.terna.it — Ricognizione Pompaggi 8dd210cac84e889.pdf (si apre in una nuova scheda)

    «In questo caso il ciclo di pompaggio può essere ripetuto a volontà.»

  18. renewableenergyworld.com (si apre in una nuova scheda)

    «Round-trip efficiency is the percentage of electricity put into storage that is later retrieved.»

  19. en.wikipedia.org (si apre in una nuova scheda)

    «The round-trip efficiency of PSH varies between 70% and 80%.»

  20. voith.com — Pumped storage plants (si apre in una nuova scheda)

    «Pumped storage plants work at an efficiency level of up to 82 percent»

  21. download.terna.it — Ricognizione Pompaggi 8dd210cac84e889.pdf (si apre in una nuova scheda)

    «Rendimento [%] 70% 72,5% 75% 77,5% 80,0% Coefficiente 0,96 0,98 1,00 1,02 1,04»

  22. energy.gov — How pumped storage hydropower works (si apre in una nuova scheda)

    «Today, the U.S. pumped storage hydropower fleet includes about 22 gigawatts of electricity-generating capacity and 550 gigawatt-hours of energy storage»

  23. energy.gov — How pumped storage hydropower works (si apre in una nuova scheda)

    «It currently accounts for 88% of all utility-scale energy storage capacity in the United States.»

  24. lightbox.terna.it — Accumuli batterie (si apre in una nuova scheda)

    «maturi a livello tecnologico e adatti a un utilizzo prolungato grazie a un'elevata capacità di stoccaggio (dell'ordine persino di settimane in funzione dell'ampiezza dei bacini idrici)»

  25. en.wikipedia.org (si apre in una nuova scheda)

    «so pumping stations are mostly operated by night when France exports surplus nuclear electricity at near-zero prices.»

  26. download.terna.it — Terna Rapporto Adeguatezza Italia 2021 8d9a51d27ad741c.pdf (si apre in una nuova scheda)

    «un crescente fenomeno di overgeneration “strutturale”»

  27. download.terna.it — Terna Rapporto Adeguatezza Italia 2021 8d9a51d27ad741c.pdf (si apre in una nuova scheda)

    «assorbendo l’energia elettrica prodotta nei periodi di overgeneration o in presenza di congestioni di rete per poi rilasciarla nel sistema elettrico»

  28. lightbox.terna.it — M come macse (si apre in una nuova scheda)

    «fenomeni di cosiddetta overgeneration, che si verificano quando la produzione di energia elettrica supera la domanda»

  29. enelgreenpower.com (si apre in una nuova scheda)

    «thereby helping to stabilize the grid and enabling greater use of non-programmable renewable energy sources»

  30. entura.com.au (si apre in una nuova scheda)

    «Reversible units comprise a single hydraulic machine (turbine-pump), a single electrical machine (motor-generator) and a single shaft. The unit changes rotational direction to switch between generating and pumping modes.»

  31. entura.com.au (si apre in una nuova scheda)

    «Ternary sets comprise two hydraulic machines (a turbine and a pump), coupled on a single shaft, with a single electrical machine (motor-generator).»

  32. entura.com.au (si apre in una nuova scheda)

    «They are often the only solution for projects with very high head but they can be applied for lower head projects too.»

  33. entura.com.au (si apre in una nuova scheda)

    «Without having to change direction, little changeover time is needed between modes, making it possible to respond much faster to the grid.»

  34. entura.com.au (si apre in una nuova scheda)

    «The extra construction costs can add up to approximately 25 per cent more than for reversible units.»

  35. entura.com.au (si apre in una nuova scheda)

    «countering the increased cost of ternary sets is their likely efficiency gain of 2 to 3 per cent and a faster response time than reversible units are capable of»

  36. tugraz.at (si apre in una nuova scheda)

    «For pumping mode, the pumped power is constant, because of the fixed operating frequency of the line-connected motor-generator.»

  37. tugraz.at (si apre in una nuova scheda)

    «The doubly-fed induction machine (DFIM) can be considered as the current state-of-the-art of variable speed PSPPs.»

  38. tugraz.at (si apre in una nuova scheda)

    «In this case, the power in pumping mode can be widely regulated by simply adjusting the feeding frequency of the motor-generator.»

  39. mdpi.com (si apre in una nuova scheda)

    «the slow mode changing time and low part-load generation efficiencies are important short-comings of CPSH»

  40. lightbox.terna.it — M come macse (si apre in una nuova scheda)

    «Il funzionamento del MACSE si basa su aste competitive, organizzate dalla stessa Terna, gestore della rete elettrica nazionale.»

  41. download.terna.it — Rapporto Adeguatezza Italia 2025 8de802607202dd6.pdf (si apre in una nuova scheda)

    «accumuli esistenti (principalmente impianti di pompaggio)»

  42. politesi.polimi.it (si apre in una nuova scheda)

    «approximate aggregate capabilities (6.4 GW pumping, 7.3 GW generating, 53 GWh storage)»

  43. download.terna.it — Rapporto Adeguatezza Italia 2025 8de802607202dd6.pdf (si apre in una nuova scheda)

    «Il 30 settembre 2025 si è svolta la prima asta MACSE con anno di consegna 2028, durante la quale sono stati assegnati 10 GWh di accumuli»

  44. qualenergia.it (si apre in una nuova scheda)

    «Non verrà bandita nel 2026 l’asta Macse dedicata agli impianti di pompaggio.»