Was ist der Rankine-Zyklus?
Der Rankine-Zyklus ist ein Begriff, der einen Prozess beschreibt, bei dem Wärme zur Ausführung von Arbeiten verwendet wird. Es ist nach dem schottischen Ingenieur und Physiker William John Macquorn Rankine benannt. Im Allgemeinen erzeugt die Wärme Dampf, der eine Turbine antreibt. Es wird hauptsächlich zur Stromerzeugung verwendet und macht ab 2011 rund 80% des weltweit verbrauchten Stroms aus.
Das Grundprinzip besteht darin, dass ein Fluid - normalerweise Wasser, aber als "Arbeitsfluid" 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 kondensiert dann zu einer Flüssigkeit, die in den Kessel zurückgepumpt wird. Der Dampf verlässt den Kessel mit einer hohen Temperatur - bis zu 538 ° C - und einem Druck von bis zu 31.026,4 kPag (4.500 psig) - und es ist die Expansion dieses heißen Hochdruckgases, die die Turbine antreibt Welle, die eine Rotation erzeugt, die Elektrizität erzeugen oder einen Motor antreiben kann. Der Wirkungsgrad des Rankine-Zyklus kann bis zu 40% betragen.
Dieses Verfahren ist die Grundlage für die meisten Kraftwerke, in denen Brennstoff als Wärmequelle zur Stromerzeugung verwendet wird. Der Brennstoff kann Öl, Kohle, Gas, Biomasse oder Kernkraft sein; da die Wärmequelle extern ist, kann alles verwendet werden, was ausreichend Wärme erzeugen kann. Die Rankine-Cycle-Technologie in kleinerem Maßstab kann auch zur Nutzung der Abwärme herkömmlicher Kraftwerke eingesetzt werden. Beispielsweise verwenden Gaskraftwerke Verbrennungsturbinen, die heißes Abgas erzeugen, da sie im Gegensatz zu Rankine-Turbinen nicht im geschlossenen Kreislauf arbeiten. Es ist möglich, diese mit einem Rankine-Generator zu kombinieren, der das heiße Gas zur Erzeugung des Dampfes verwendet und so die Energieeffizienz erheblich verbessert.
Andere Flüssigkeiten als Wasser können in einem Rankine-Kreislauf verwendet werden, wo sie in bestimmten Anwendungen Vorteile bieten. Beispielsweise benötigen Kraftwerke, die unter sehr kalten Bedingungen betrieben werden, möglicherweise eine Flüssigkeit mit einem niedrigeren Gefrierpunkt. Eine Anzahl von organischen Flüssigkeiten wurde verwendet und Pentan wurde erfolgreich in einem Rankine-Kreisgenerator eingesetzt, der heißes Abgas aus einem Gaskraftwerk als Wärmequelle nutzt, wie oben beschrieben. Ein Prozess, bei dem organische Flüssigkeiten auf diese Weise verwendet werden, wird als Organic Rankine Cycle (ORC) bezeichnet.
Viele Projekte für erneuerbare Energien nutzen ORC-Technologie zur Stromerzeugung. Es wird häufig in geothermischen Kraftwerken eingesetzt, und dieses System wurde für einige Solarkraftwerke angepasst, in denen das Sonnenlicht fokussiert wird, um die Wärme für den Antrieb des Kreislaufs bereitzustellen. Kleine Generatoren, die diese Technologie nutzen, können Abwärme aus einer Vielzahl industrieller Prozesse nutzen.