De Rankine-cyclus is een van de belangrijkste processen om op grote schaal thermische energie om te zetten in mechanische (elektrische) energie. De cyclus bestaat principieel uit een stoomketel (1) waarbinnen de warmtetoevoer gebeurt, een turbine (3), een condensor (6) en een voedingspomp (8). Er circuleert dus een arbeidsmedium, dat bij grote installaties gewoonlijk water-stoom is. (Bron: Electrabel) |
 |
De Rankine cyclus kan het best uitgelegd worden in een T-s diagramma. Binnen een T-s diagram kunnen de fasetoestanden van een arbeidsmedium gelokaliseerd worden. Dit zijn vloeistofgebied, co-existentiegebied (natte stoom) en oververhitte dampgebied. Een belangrijke toestandsgrootheid die bij de berekeningen rond dergelijke processen gebruikt wordt is de entropie S. Een entropieverschil is een maat voor de warmteuitwisseling en laat zich berekenen als: |
 |
Een warmtetoevoer geeft dus aanleiding tot een entropiestijging en omgekeerd. De expansie van stoom in een stoomturbine verloopt in principe adiabatisch (geen warmte-uitwisseling), de entropieverandering is theoretisch gelijk aan nul. In het T-s diagram wordt de expansie voorgesteld door een verticale lijn (4-5).  De Rankine-cyclus met oververhitting, toegepast op water, is de basiscyclus in klassieke thermische centrales. Het toevoegen van warmte aan het fluïdum gebeurt in drie stappen: het fluïdum wordt eerst voorverwarmd tot kooktemperatuur in een stoomketel (1-2). Vervolgens verdampt het water(2-3) tot verzadigde stoom. Tenslotte wordt de stoom oververhit (3-4). Daarna volgt een expansie in een turbine naar een lage druk (4-5) waarbij nuttige arbeid wordt geleverd. In de condenser wordt de latente restwarmte vrijgegeven tijdens de faseovergang (5-6). Na condensatie wordt de vloeistof opnieuw op hoge druk opgepompt naar de stoomketel (6-1). |
Het arbeidsmedium Doorgaans wordt water gebruikt als werkfluïdum bij Rankine Cycli. De belangrijkste voordelen van water zijn dat water scheikundig een zeer stabiele verbinding is en bijgevolg weinig materiaaleisen stelt bij de constructie van de machines. Bovendien heeft water een zeer geringe viscositeit zodat de arbeid voor het transport door de verschillende onderdelen (warmtewisselaars en buizen) beperkt blijft. De soortelijke warmte van water is groot, dit zorgt ervoor dat water een goed energietransportmedium is. Water is bovendien niet toxisch en komt overal in de wereld in grote hoeveelheden voor. Dat maakt het veel goedkoper dan alle andere mogelijke werkfluïda. Water heeft echter ook enkele belangrijke nadelen. Om een zo hoog mogelijk cyclus rendement en electriciteits productie te bekomen, wordt de stoom geëxpandeerd tot een temperatuur iets hoger dan de omgevingstemparatuur. Bij deze temperatuur is de dampdruk van water, alsook de densiteit, heel laag. Dit resulteert in grote stoomvolumes aan de uitgang van de stoomturbine. Bijgevolg zijn er grote turbines en condensors nodig. Bovendien is de drukval over de turbine bij stoom zeer groot. Om stoom te laten expanderen van 30 tot 0,1 bar, is een meertrapsturbine nodig omwille van de beperkte drukverhouding die mogelijk is in één turbinetrap. Dit zorgt voor een complexere en meteen ook duurdere installatie. Het allergrootste deel van de toegevoerde energie dient om water tot stoom te verdampen.
|
| De organische Rankine Cyclus |
Alle algemene thermodynamische wetmatigheden blijven ook hier gelden. Een lagere condenstemperatuur en een hogere temperatuur bij warmtetoevoer zorgen voor een hoger kringrendement.
Een ORC kan ook gemakkelijk als warmtekrachtkoppeling functioneren, door de condenstemperatuur (en bijhorende verzadigingsdruk) op te trekken. De condenswarmte wordt dan afgegeven aan het koelwater, dat daarna kan dienen voor bv. verwarming van gebouwen. Een ORC vereist geen voorbehandeling en ontgassing van het werkfluidum, zoals voor een water/stoom cyclus wel vereist is. Tevens dient er ook geen slib uit de verdamper gespuid te worden.
De keuze van een geschikt medium is niet altijd even gemakkelijk. Van vele stoffen zijn immers de damptabellen niet bekend. Zonder de kennis van verzadigingsdrukken en –temperaturen is het echter onmogelijk een medium voor een bepaalde toepassing te evalueren. Elk (organisch) medium heeft zijn eigen specifieke eigenschappen. Dit maakt dat lang niet elke stof geschikt is voor eender welke toepassing. Afhankelijk van het type warmtebron (warm water, uitlaatgassen,…) en zijn temperatuur, dient een passend medium met een geschikte verdampings- en condensatietemperatuur gezocht te worden. Elke ORC wordt echter gedimensioneerd op een bepaald medium, zodat zeker niet voor elke warmtebron een ideale ORC op de markt is. Constructeurs bieden meestal enkele standaardmodules (met een vast medium) aan. Op deze manier worden de warmtebronnen niet altijd optimaal gebruikt. Sommige leveranciers ontwikkelen ook ORC’s op maat. Dit brengt echter een hogere kostprijs met zich mee. De technologie is echter nog in volle ontwikkeling en in vele gevallen nog niet geoptimaliseerd. Er moet steeds rekening gehouden worden met de toxiciteit, de veiligheid, de explosiviteit, de brandbaarheid, de milieuaspecten,… van het circulerend fluidum. Hiervoor dienen de wettelijke voorschriften te worden opgevolgd. |
Toepassingsmogelijkheden In de industrie gaat een aanzienlijk deel van de opgewekte energie verloren onder de vorm van mechanische verliezen (wrijving ) en thermische verliezen (warmteafgifte). De warmte kan afkomstig zijn van droogprocessen, naverbranders, rookgassen,gasmotoren… Wanneer deze warmte niet kan worden aangewend voor deelprocessen (v.b. voorverwarming), kan via een ORC het warmteverlies sterk beperkt worden. Op deze manier wordt uit de restwarmte nog een (beperkte) hoeveelheid mechanische arbeid bekomen, bruikbaar voor de opwekking van elektriciteit of het aandrijven van een werktuig. Zo wordt hiervoor geen extra primaire energie verbruikt. Mogelijke warmtebronnen :
|
De voorgaande problemen kunnen door selectie van een gepast fluïdum gedeeltelijk worden opgelost. Indien het water vervangen wordt door een organisch middel, spreekt met van een Organische Rankine Cyclus (ORC). De meeste organische vloeistoffen zijn zogenaamde droge vloeistoffen. Droge vloeistoffen hebben als voordeel dat ze na expansie (4-5) nog steeds oververhit blijven waardoor condensvorming in de turbine vermeden wordt. Enkele van de meest gebruikte fluïda zijn pentaan, propaan, tolueen, ammoniak alsook enkele koelvloeistoffen. 
Door de keuze van een werkfluidum met een voldoende hoge densiteit bij de condenstemperatuur, wordt de constructie van een grote turbine en condenser vermeden. Door het kleinere temperatuurverschil tussen verdamping en condensatie, zal ook de drukval/-verhouding geringer zijn, al verschilt dit van medium tot medium. Dit betekent dan meertrapsturbines hier niet nodig zijn. Bovendien is de levensduur van de turbine hoger, omdat tijdens de expansie (van droge fluida) geen condensdruppeltjes ontstaan die de turbineschoepen kunnen eroderen
