Der Rankine-Zyklus ist ein Begriff, der einen Prozess beschreibt, der Wärme verwendet, um Arbeit zu verrichten. Es ist nach dem schottischen Ingenieur und Physiker William John Macquorn Rankine benannt. Im Allgemeinen erzeugt die Hitze Dampf, der eine Turbine antreibt. Es wird hauptsächlich zur Stromerzeugung verwendet und macht seit 2011 etwa 80 % des weltweit verbrauchten Stroms aus.
Das Grundprinzip besteht darin, dass eine Flüssigkeit – normalerweise Wasser, aber als „Arbeitsflüssigkeit“ bezeichnet – in einem geschlossenen Kreislauf mit vier Hauptkomponenten fließt: einer Pumpe, einem Kessel, einer Turbine und einem Kondensator. Im Kessel wandelt eine externe Wärmequelle das flüssige Arbeitsmedium in Dampf um, der die Turbine antreibt und dann zu einer Flüssigkeit kondensiert, die zurück in den Kessel gepumpt wird. Der Dampf verlässt den Kessel mit einer hohen Temperatur – bis zu 1,000 °C (538 °F) – und einem Druck – bis zu 4,500 kPag (31,026.4 psig) – und es ist die Expansion dieses heißen Hochdruckgases, die die Turbine antreibt Welle, die eine Rotation erzeugt, die Strom erzeugen oder einen Motor antreiben kann. Die Effizienz des Rankine-Zyklus kann etwa 40 % erreichen.
Dieser Prozess ist die Grundlage für die meisten Kraftwerke, in denen Brennstoffe als Wärmequelle zur Stromerzeugung genutzt werden. Der Brennstoff kann Öl, Kohle, Gas, Biomasse oder Kernkraft sein; Da die Wärmequelle extern ist, kann alles verwendet werden, was ausreichend Wärme erzeugen kann. Mit der Rankine-Cycle-Technologie im kleineren Maßstab lässt sich auch die Abwärme herkömmlicher Kraftwerke nutzen. Beispielsweise verwenden Gaskraftwerke Verbrennungsturbinen, die heißes Abgas erzeugen, da sie im Gegensatz zu Rankine-Cycle-Turbinen nicht in einem geschlossenen Kreislauf arbeiten. Diese können mit einem Rankine-Cycle-Generator kombiniert werden, der das Heißgas zur Dampferzeugung nutzt und so die Energieeffizienz deutlich verbessert.
Andere Flüssigkeiten als Wasser können in einem Rankine-Zyklus verwendet werden, wo sie in bestimmten Anwendungen Vorteile bieten. Kraftwerke, die unter sehr kalten Bedingungen betrieben werden, benötigen beispielsweise eine Flüssigkeit mit einem niedrigeren Gefrierpunkt. Eine Anzahl organischer Flüssigkeiten wurde verwendet und Pentan wurde erfolgreich in einem Rankine-Kreislauf-Generator verwendet, der heißes Abgas aus einem gasbefeuerten Kraftwerk als Wärmequelle nutzt, wie oben beschrieben. Ein Prozess, der auf diese Weise organische Flüssigkeit verwendet, wird als organischer Rankine-Zyklus (ORC) bezeichnet.
Viele erneuerbare Energieprojekte nutzen die ORC-Technologie zur Stromerzeugung. Es wird häufig in geothermischen Kraftwerken verwendet, und dieses System wurde für den Einsatz in einigen Solarkraftwerken angepasst, in denen das Sonnenlicht fokussiert wird, um die Wärme zum Antrieb des Kreislaufs bereitzustellen. Kleine Generatoren, die diese Technologie verwenden, sind verfügbar geworden, um Abwärme aus einer Vielzahl von industriellen Prozessen zu nutzen.