Le cycle de Rankine est un terme décrivant un processus qui utilise la chaleur pour effectuer un travail. Il porte le nom de l’ingénieur et physicien écossais William John Macquorn Rankine. Généralement, la chaleur produit de la vapeur qui entraîne une turbine. Il est principalement utilisé pour produire de l’électricité et, à partir de 2011, représente environ 80% de l’électricité utilisée dans le monde.
Le principe de base implique un fluide – généralement de l’eau, mais appelé fluide de travail – circulant dans une boucle fermée avec quatre composants principaux : une pompe, une chaudière, une turbine et un condenseur. Dans la chaudière, une source de chaleur externe convertit le fluide de travail liquide en une vapeur qui entraîne la turbine et est ensuite condensée en un liquide, qui est pompé à nouveau dans la chaudière. La vapeur quitte la chaudière à une température élevée – jusqu’à 1,000 538°F (4,500°C) – et une pression – jusqu’à 31,026.4 40 psig (XNUMX XNUMX kPag) – et c’est l’expansion de ce gaz chaud à haute pression qui entraîne la turbine arbre, produisant une rotation qui peut générer de l’électricité ou entraîner un moteur. L’efficacité du cycle de Rankine peut atteindre environ XNUMX %.
Ce processus est à la base de la plupart des centrales électriques où le combustible est utilisé comme source de chaleur pour produire de l’électricité. Le combustible peut être du pétrole, du charbon, du gaz, de la biomasse ou du nucléaire ; puisque la source de chaleur est externe, tout ce qui peut générer suffisamment de chaleur peut être utilisé. La technologie du cycle de Rankine à plus petite échelle peut également être utilisée pour exploiter la chaleur résiduelle des centrales électriques traditionnelles. Par exemple, les centrales électriques au gaz utilisent des turbines à combustion qui génèrent des gaz d’échappement chauds car, contrairement aux turbines à cycle de Rankine, elles ne fonctionnent pas en boucle fermée. Il est possible de les combiner avec un générateur à cycle de Rankine qui utilise le gaz chaud pour produire de la vapeur, améliorant ainsi considérablement l’efficacité énergétique.
Des fluides autres que l’eau peuvent être utilisés dans un cycle de Rankine où ils offrent des avantages dans des applications particulières. Par exemple, les centrales électriques qui fonctionnent dans des conditions très froides peuvent nécessiter un fluide avec un point de congélation plus bas. Un certain nombre de fluides organiques ont été utilisés et le pentane a été utilisé avec succès dans un générateur à cycle de Rankine qui exploite les gaz d’échappement chauds d’une centrale électrique au gaz comme source de chaleur, comme décrit ci-dessus. Un processus qui utilise un fluide organique de cette manière est connu sous le nom de cycle de Rankine organique (ORC).
De nombreux projets d’énergie renouvelable utilisent la technologie ORC pour produire de l’électricité. Il est souvent utilisé dans les centrales géothermiques, et ce système a été adapté pour être utilisé dans certaines centrales solaires, où la lumière du soleil est focalisée pour fournir la chaleur nécessaire au cycle. Des générateurs à petite échelle qui utilisent cette technologie sont devenus disponibles pour exploiter la chaleur résiduelle d’une variété de procédés industriels.