El ciclo Rankine convencional, utilizando agua como fluido de trabajo, permite la producción eléctrica a partir de fuentes de calor por encima de 350-400 ºC y potencias eléctricas superiores a 0.5-1 MW. Sin embargo, para fuentes de calor por debajo de 350 ºC y/o potencias eléctricas menores a 0.5-1 MW, el ciclo Rankine convencional no resulta adecuado. Entre las tecnologías disponibles para revalorizar calor procedente de fuentes de baja temperatura destaca el ciclo orgánico Rankine (ORC). Conceptualmente, un ORC es parecido a un ciclo Rankine de vapor. Ambos están basados en la evaporación de un líquido a alta presión que se expande hasta baja presión generando trabajo mecánico. El ciclo se cierra condensando el vapor a baja presión y bombeándolo otra vez a alta presión. Por tanto, un ORC incluye los mismos elementos que un ciclo de vapor convencional: evaporador, expansor, condensador y bomba.

No obstante, el fluido de trabajo utilizado en un ORC no es agua, como ocurre en un ciclo Rankine de vapor, sino que se trata de compuestos orgánicos caracterizados por temperaturas de evaporación menores a las del agua y que permiten la generación de potencia mediante fuentes de calor de baja temperatura.  El ORC resulta interesante en el rango de potencias bajas y medias (típicamente por debajo de unos pocos MW) debido a la facilidad y simplicidad del diseño de sus componentes, así como a que no necesitan supervisión y tiene bajo mantenimiento. Está, por tanto, mejor adaptado a la generación distribuida, como puede ser la revalorización de calor residual, la cogeneración y la producción eléctrica a partir de fuentes de energía renovables. Para rangos de potencias altos, suele preferirse el ciclo de vapor, excepto para fuentes de calor de baja temperatura.

Las principales diferencias entre un ORC y el ciclo Rankine de vapor son las siguientes:

  • El diagrama T-s de las curvas de saturación del agua y de varios fluidos orgánicos comúnmente utilizados en ORCs. Se observa como la pendiente de la curva de vapor saturado es negativa para el agua, mientras que, en general, es vertical o positiva para los fluidos orgánicos. Como consecuencia, la limitación de la calidad al final del proceso de expansión desaparece para el ORC, y no hay necesidad de sobrecalentar el vapor antes de la entrada al expansor, tal y como ocurre con el ciclo Rankine de vapor. En caso de utilizar turbinas como elemento de expansión, la ausencia de condensación también reduce el riesgo de desgaste de los álabes de las mismas, aumentando su vida útil.
  • Recuperación de calor a baja temperatura. Debido a la menor temperatura de evaporación de los fluidos orgánicos, resulta más eficiente la recuperación de calor a menor temperatura que con un ciclo convencional de vapor. Además, en el ciclo de vapor, debido a la necesidad de sobrecalentamiento, se requieren de temperaturas elevadas a la entrada del expansor para evitar la formación de gotas de líquido durante el proceso de expansión.
  • Tamaño de los componentes. En el ciclo de vapor, la densidad del fluido es muy baja en la parte de baja presión del circuito. Para evitar pérdidas de carga excesivas, los diámetros de las tuberías y el tamaño de los intercambiadores de calor debe aumentarse debido al alto caudal volumétrico. De forma parecida, el tamaño de las turbinas es proporcional al caudal volumétrico.
  • Diseño del evaporador. El ORC permite diseñar el evaporador en un solo intercambiador de calor, evitando la necesidad de calderín y recirculación, hecho que no siempre es posible en los ciclos convencionales de vapor. Esto es debido a la pequeña diferencia relativa entre la densidad del líquido y del vapor para fluidos orgánicos de alto peso molecular.
  • Consumo de la bomba. El calor latente del agua es mucho mayor que el de los fluidos orgánicos. Esto supone que para captar la misma potencia térmica en el evaporador, el caudal másico de un fluido orgánico tenga que ser mucho mayor que el del agua, llevando a un mayor consumo de la bomba. Este hecho se puede expresar en términos de la relación de trabajo entre la bomba y el expansor (BWR: Back Work Ratio), que se define como la potencia consumida por la bomba dividida por la potencia producida por el expansor. En un ciclo Rankine de vapor el BWR toma valores del 0.4%. Para ORCs de alta temperatura utilizando tolueno como fluido de trabajo, el valor de BWR se encuentra entre el 2% y el 3%. Para ORCs de baja temperatura utilizando HFC-134a, el BWR suele superar el 10%. De forma general, a menores temperaturas críticas del fluido de trabajo, mayor es el valor del BWR.
  • Presión de evaporación. En el ciclo Rankine de vapor, el evaporador suele trabajar con presiones por encima de 60 bar, aumentando la complejidad y coste del mismo. En un ORC, la presión de evaporación no suele superar los 30 bar.
  • Presión de condensación. Trabajar con presiones de condensación por encima de la presión atmosférica simplifica el sistema y evita el riesgo de entrada de aire en la instalación. La presión de condensación del agua suele estar por debajo de 100 mbar absolutos.
  • Características del fluido. El agua es un fluido de trabajo de bajo coste y alta disponibilidad, no es toxico ni inflamable, tiene bajo GWP y ODP nulo, es muy estable y tiene baja viscosidad.
  • Diseño de la turbina. En el caso de utilizar turbinas como elemento de expansión, en un ORC el menor salto entálpico en el expansor hace que se puedan utilizar turbinas con una o dos etapas de expansión, reduciendo el coste de las mismas.
  • Eficiencia global. La eficiencia de un ORC de alta temperatura no sobrepasa del 24% y presenta valores de entre el 8% y el 12% para sistemas de baja temperatura, mientras que el ciclo de vapor convencional a altas temperaturas presenta eficiencias por encima del 30%, es decir, existe un límite de temperatura donde el agua resulta ya más eficiente que el uso de fluidos orgánicos.

En resumen, un ORC es más interesante para fuentes de calor de baja temperatura. Además, también resulta interesante en aplicaciones dentro del rango de potencias bajas y medias (típicamente por debajo de unos pocos MWe) debido a la facilidad y simplicidad del diseño de sus componentes, así como a que no necesitan supervisión y tiene bajo mantenimiento. Está, por tanto, mejor adaptado a la generación distribuida, como puede ser la revalorización de calor residual, la cogeneración y la producción eléctrica a partir de fuentes renovables. Para rangos de potencias altos, suele preferirse el ciclo de vapor, excepto para fuentes de calor de baja temperatura.

*Descripción realizada por Francisco Molés Ribera, Doctor en Tecnologías Industriales, y empleado de Rank®