¿Qué es el ciclo de Rankine?
El ciclo de Rankine es un ciclo termodinámico de potencia que utiliza vapor de agua como fluido de trabajo. Fue descrito por el ingeniero escocés William John Macquorn Rankine en 1859 y sigue siendo la base de la generación de energía eléctrica a gran escala en todo el mundo.
A diferencia del ciclo de Carnot (puramente teórico), el ciclo de Rankine es un ciclo real y técnicamente viable. Se utiliza en centrales térmicas convencionales, centrales nucleares, plantas de biomasa, energía solar de concentración (CSP) y sistemas de cogeneración.
En contexto
El ciclo de Rankine se emplea en centrales de carbón y nucleares, y también en muchas instalaciones de biomasa, geotermia y solar de concentración, además de la parte de vapor de los ciclos combinados. Es uno de los ciclos fundamentales de la generación eléctrica basada en vapor.
Las cuatro etapas del ciclo de Rankine ideal
Proceso 1→2
Compresión en la bomba
El agua líquida saturada es comprimida isentrópicamente por la bomba desde la presión del condensador hasta la presión de la caldera. El trabajo consumido es pequeño.
Proceso 2→3
Calentamiento en la caldera
El agua se calienta a presión constante en la caldera hasta convertirse en vapor sobrecalentado. Es la etapa donde se aporta el calor del combustible o fuente de energía.
Proceso 3→4
Expansión en la turbina
El vapor se expande isentrópicamente en la turbina, generando trabajo mecánico que mueve el alternador. Es la etapa de producción de electricidad.
Proceso 4→1
Condensación
El vapor de baja presión a la salida de la turbina se condensa a presión constante en el condensador, rechazando calor al foco frío (agua de río, mar o torres de refrigeración).
Eficiencia térmica del ciclo de Rankine
La eficiencia térmica del ciclo de Rankine ideal se define como el cociente entre el trabajo neto producido y el calor aportado:
Eficiencia térmica del ciclo de Rankine ideal
Expresado en términos de entalpías específicas:
Donde h₁, h₂, h₃, h₄ son las entalpías en cada punto del ciclo
Ejemplo de cálculo
Ciclo de Rankine ideal — vapor a 3 MPa y 350°C
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Variantes del ciclo de Rankine
Ciclo de Rankine con recalentamiento
El vapor se expande parcialmente en la turbina, vuelve a la caldera para recalentarse y luego se expande de nuevo. Esto aumenta la eficiencia y reduce la humedad en la turbina, protegiendo los álabes.
Ciclo de Rankine regenerativo
Parte del vapor extraído de la turbina se usa para precalentar el agua antes de entrar en la caldera. Este ciclo se usa en prácticamente todas las centrales modernas y eleva la eficiencia en 5-10 puntos porcentuales.
Ciclo de Rankine orgánico (ORC)
En lugar de agua, se usa un fluido orgánico con punto de ebullición más bajo. Permite aprovechar fuentes de calor de baja temperatura (energía geotérmica, biomasa, calor residual industrial) que no serían aprovechables con agua.
Eficiencias típicas
| Tipo de central | Eficiencia térmica | Temperatura vapor |
|---|---|---|
| Central de vapor convencional | 33 – 40% | 500 – 565°C |
| Central de vapor supercrítico | 42 – 46% | 580 – 620°C |
| Central nuclear (agua a presión) | 32 – 36% | 290 – 325°C |
| Central solar CSP | 38 – 42% | 390 – 565°C |
| ORC (calor residual) | 10 – 20% | 80 – 200°C |
¿Por qué no llega al 100%?
El segundo principio de la termodinámica impone un límite fundamental: ningún ciclo puede ser más eficiente que el ciclo de Carnot operando entre las mismas temperaturas. Para una caldera a 565°C y un condensador a 40°C, la eficiencia máxima teórica de Carnot sería del 62%. Las pérdidas reales (irreversibilidades, rozamiento, pérdidas térmicas) llevan la eficiencia real a valores del 35-46%.