El ciclo de Rankine es un término que describe un proceso que utiliza calor para realizar un trabajo. Lleva el nombre del ingeniero y físico escocés William John Macquorn Rankine. Generalmente, el calor produce vapor que impulsa una turbina. Se utiliza principalmente para generar electricidad y, a partir de 2011, representa aproximadamente el 80% de la electricidad utilizada en todo el mundo.
El principio básico implica un fluido, generalmente agua, pero denominado «fluido de trabajo», que fluye en un circuito cerrado con cuatro componentes principales: una bomba, una caldera, una turbina y un condensador. En la caldera, una fuente de calor externa convierte el fluido de trabajo líquido en vapor que impulsa la turbina y luego se condensa en un líquido, que se bombea de regreso a la caldera. El vapor sale de la caldera a alta temperatura – hasta 1,000 ° F (538 ° C) – y presión – hasta 4,500 psig (31,026.4 kPag) – y es la expansión de este gas caliente a alta presión lo que impulsa la turbina eje, produciendo una rotación que puede generar electricidad o impulsar un motor. La eficiencia del ciclo Rankine puede alcanzar alrededor del 40%.
Este proceso es la base de la mayoría de las centrales eléctricas en las que se utiliza combustible como fuente de calor para generar electricidad. El combustible puede ser petróleo, carbón, gas, biomasa o nuclear; dado que la fuente de calor es externa, se puede utilizar cualquier elemento que pueda generar suficiente calor. La tecnología de ciclo Rankine a menor escala también se puede utilizar para aprovechar el calor residual de las centrales eléctricas tradicionales. Por ejemplo, las centrales eléctricas de gas utilizan turbinas de combustión que generan gases de escape calientes ya que, a diferencia de las turbinas de ciclo Rankine, no funcionan en un circuito cerrado. Es posible combinarlos con un generador de ciclo Rankine que utiliza el gas caliente para producir vapor, mejorando así en gran medida la eficiencia energética.
Los fluidos distintos del agua se pueden utilizar en un ciclo Rankine donde ofrecen ventajas en aplicaciones particulares. Por ejemplo, las plantas de energía que operan en condiciones muy frías pueden requerir un fluido con un punto de congelación más bajo. Se han utilizado varios fluidos orgánicos y el pentano se ha empleado con éxito en un generador de ciclo Rankine que aprovecha el gas de escape caliente de una central eléctrica de gas como fuente de calor, como se describió anteriormente. Un proceso que utiliza fluido orgánico de esta manera se conoce como ciclo de Rankine orgánico (ORC).
Muchos proyectos de energía renovable utilizan tecnología ORC para generar energía. Se usa a menudo en centrales geotérmicas, y este sistema se ha adaptado para ser utilizado en algunas plantas de energía solar, donde la luz solar se enfoca para proporcionar el calor para impulsar el ciclo. Los generadores a pequeña escala que utilizan esta tecnología están disponibles para aprovechar el calor residual de una variedad de procesos industriales.