Il ciclo Rankine è un termine che descrive un processo che utilizza il calore per eseguire il lavoro. Prende il nome dall’ingegnere e fisico scozzese William John Macquorn Rankine. Generalmente, il calore produce vapore che aziona una turbina. Viene utilizzato principalmente per generare elettricità e, dal 2011, rappresenta circa l’80% dell’elettricità utilizzata in tutto il mondo.
Il principio di base prevede un fluido – solitamente acqua, ma indicato come “fluido di lavoro” – che scorre in un circuito chiuso con quattro componenti principali: una pompa, una caldaia, una turbina e un condensatore. Nella caldaia, una fonte di calore esterna converte il fluido di lavoro liquido in un vapore che aziona la turbina e viene quindi condensato in un liquido, che viene pompato nuovamente nella caldaia. Il vapore lascia la caldaia ad alta temperatura – fino a 1,000°F (538°C) – e pressione – fino a 4,500 psig (31,026.4 kPag) – ed è l’espansione di questo gas caldo ad alta pressione che aziona la turbina albero, producendo una rotazione che può generare elettricità o azionare un motore. L’efficienza del ciclo Rankine può raggiungere circa il 40%.
Questo processo è alla base della maggior parte delle centrali elettriche in cui il combustibile viene utilizzato come fonte di calore per generare elettricità. Il combustibile può essere petrolio, carbone, gas, biomassa o nucleare; poiché la fonte di calore è esterna può essere utilizzato tutto ciò che può generare calore sufficiente. La tecnologia del ciclo Rankine su scala ridotta può essere utilizzata anche per sfruttare il calore di scarto delle centrali elettriche tradizionali. Ad esempio, le centrali elettriche a gas utilizzano turbine a combustione che generano gas di scarico caldo poiché, a differenza delle turbine a ciclo Rankine, non funzionano in un circuito chiuso. È possibile abbinarli ad un generatore a ciclo Rankine che utilizza il gas caldo per produrre il vapore, migliorando così notevolmente l’efficienza energetica.
I fluidi diversi dall’acqua possono essere utilizzati in un ciclo Rankine dove offrono vantaggi in applicazioni particolari. Ad esempio, le centrali elettriche che operano in condizioni molto fredde possono richiedere un fluido con un punto di congelamento più basso. Sono stati utilizzati numerosi fluidi organici e il pentano è stato impiegato con successo in un generatore a ciclo Rankine che sfrutta il gas di scarico caldo di una centrale elettrica a gas come fonte di calore, come descritto sopra. Un processo che utilizza il fluido organico in questo modo è noto come ciclo Rankine organico (ORC).
Molti progetti di energia rinnovabile utilizzano la tecnologia ORC per generare energia. Viene spesso utilizzato nelle centrali geotermiche e questo sistema è stato adattato per essere utilizzato in alcune centrali solari, dove la luce solare è concentrata per fornire il calore necessario per guidare il ciclo. Sono diventati disponibili generatori su piccola scala che utilizzano questa tecnologia per sfruttare il calore di scarto da una varietà di processi industriali.