Cos'è il ciclo Rankine?
Il ciclo di 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. In generale, il calore produce vapore che aziona una turbina. Viene utilizzato principalmente per generare elettricità e, a partire dal 2011, rappresenta circa l'80% dell'elettricità utilizzata in tutto il mondo.
Il principio di base riguarda un fluido, generalmente acqua, ma denominato "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 del 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 e ad alta pressione che guida la turbina albero, producendo una rotazione che può generare elettricità o guidare un motore. L'efficienza del ciclo di Rankine può raggiungere circa il 40%.
Questo processo è la base per la 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, si può usare tutto ciò che può generare calore sufficiente. La tecnologia del ciclo di Rankine su scala ridotta può anche essere utilizzata per sfruttare il calore residuo delle centrali elettriche tradizionali. Ad esempio, le centrali elettriche a gas utilizzano turbine a combustione che generano gas di scarico caldi poiché, a differenza delle turbine a ciclo Rankine, non funzionano a circuito chiuso. È possibile combinarli con un generatore di cicli Rankine che utilizza il gas caldo per produrre il vapore, migliorando notevolmente l'efficienza energetica.
Fluidi diversi dall'acqua possono essere utilizzati in un ciclo di Rankine dove offrono vantaggi in applicazioni particolari. Ad esempio, le centrali elettriche che funzionano in condizioni molto fredde possono richiedere un fluido con un punto di congelamento inferiore. Sono stati utilizzati numerosi fluidi organici e il pentano è stato impiegato con successo in un generatore di cicli Rankine che sfrutta il gas di scarico caldo da 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 di 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 focalizzata per fornire il calore per guidare il ciclo. I generatori su piccola scala che utilizzano questa tecnologia sono diventati disponibili per sfruttare il calore residuo di una varietà di processi industriali.