Cómo calcular la eficiencia del ciclo Rankine de una central de vapor

Calcula la eficiencia η del ciclo Rankine (1859) para centrales termoeléctricas de vapor. Subcrítico, supercrítico USC 600°C 300 bar — base de Iberdrola, Endesa, Naturgy, GE Steam Power, Siemens, NIST.

Parámetros de cálculo
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Cómo calcular la eficiencia del ciclo Rankine de una central de vapor permite estimar el rendimiento térmico de centrales termoeléctricas, nucleares, geotérmicas, y CSP solar termodinámicas. El ciclo fue formalizado por William John Macquorn Rankine (Glasgow 1859). El ciclo estándar tiene 4 procesos: bombeo de líquido, calentamiento+vaporización en caldera, expansión adiabática en turbina, condensación. La eficiencia ideal es η = (W_turbina - W_bomba)/Q_caldera. Para subcritical 167 bar/540°C: η=38-40%; supercrítico 240 bar/566°C: η=42-43%; USC 300 bar/600°C: η=45-47%; A-USC 700°C: η>50%. Es el fundamento del diseño en Iberdrola, Endesa, Naturgy, Acciona, EDP España, ABB España.

1. Ciclo Rankine y condensación

(

  • Bombeo adiabático del agua líquida del condensador (p≈0,05 bar) a presión caldera (100-300 bar); (
  • calentamiento+vaporización+sobrecalentamiento en caldera (T_max 540-600°C); (
  • expansión adiabática en turbina HP/IP/LP; (
  • condensación isobara. Carnot ideal a 600°C/33°C: η=65%. Rankine real 35-47%

2. Ciclos Rankine típicos

  • Subcrítico carbón 167 bar/540°C — η=38-40%, Iberdrola Lada (cerrado).
  • Supercrítico 240 bar/566°C — η=42-43%.
  • USC 300 bar/600°C — η=45-47%, Mitsubishi Isogo Japan.
  • A-USC 700°C — η>50%, programas EU/USA/China.
  • Nuclear PWR 70 bar/280°C — η=33%, Almaraz Almaraz, Vandellós.
  • CSP Gemasolar 19,9 MW Sevilla — η=35-42% con sales fundidas.
  • ORC geotérmico — η=8-22%, fluidos R245fa.
  • WHR industrial — recupera 100-300°C de cementeras, vidrieras, acerías.

3. Rango de validez y correcciones

El ciclo Rankine ideal asume procesos reversibles. Pérdidas reales: η_turbina 88-92%, η_bomba 80-85%, pérdidas calderas 5-8%, presión 2-3%, condensador imperfecto 50-70 mbar, auxiliares 5-8%. Mejoras modernas: regeneración con precalentadores, recalentamiento intermedio, USC 300 bar/600°C, aerocondensadores para zonas desérticas. Códigos Aspen Plus, Thermoflex, gPROMS, EBSILON Professional simulan ciclo completo.

4. Ejemplos numéricos

Ejemplo 1 — Subcrítico 167 bar/540°C, T_cond=33°C. η_ideal=40,4%, real=38%.

Ejemplo 2 — USC 300 bar/600°C. η=46% real (récord comercial Mitsubishi).

Ejemplo 3 — Nuclear PWR Almaraz 70 bar/280°C. η=33% por vapor saturado.

5. Aplicaciones prácticas

  • Centrales termoeléctricas: España ~25 GW Rankine (carbón en cierre 2030, gas, biomasa). Iberdrola Velilla (cerrada), Endesa Litoral Almería, Naturgy
  • Centrales nucleares: 7 reactores operativos (Almaraz I/II, Cofrentes, Trillo, Vandellós II, Ascó I/II), 21% electricidad, gestionados por Iberdrola, Endesa, Naturgy
  • CSP: España líder mundial con Gemasolar Sevilla (19,9 MW Torresol Energy), Andasol Granada (50 MW), PS10/PS20 Sanlúcar la Mayor, Solnova
  • Geotermia: limitada en España, prototipos en Lanzarote y Canarias
  • WHR industrial: cementeras Cementos Portland Valderrivas, Cosmos, vidrieras Saint-Gobain España, acerías Sidenor recuperan 50-150 MW
  • Cogeneración: distritos urbanos con A2A, ENEL X

6. Comparación con otros ciclos térmicos

Brayton (turbina gas): η 35-42%. CCGT (Brayton+Rankine): η 60-64% (Iberdrola Castellón con GE 9HA). Stirling ideal=Carnot, real 30-40%. Otto/Diesel: η 30-50%. Para baja entalpia geotérmica y WHR, ORC con fluidos a bajo punto de ebullición supera Rankine acuosa. Ciclo Kalina (1984) con H₂O-NH₃: 5-10% mejor que Rankine pura. Ciclo sCO₂ supercrítico futuro para Gen IV nuclear y CSP, η=50% a 700°C con 1/10 tamaño.

7. Casos especiales y desarrollos futuros

Para ciclos A-USC 700-720°C requieren nuevos materiales (Inconel 740H, Sanicro 25). Programas EU AD700, USA DOE, China/India HUSC. Para nucleare Gen IV: ciclo Brayton sCO₂ o Rankine avanzato. Para fusione ITER+DEMO: He primario+Rankine secundario. Para CSP: aumentar T_max via almacenamiento sales fundidas a 565°C o sólidos a 850°C. Para geotermia profunda: ORC mejorado a 22-25%. Para recuperación calor industrial: ORC con siloxanos para T 300-450°C. Investigación CIEMAT, IDAE, CDTI.

Actualizado a julio de 2026

Preguntas frecuentes

¿Qué es el ciclo Rankine y por qué es importante?

El ciclo Rankine (William Rankine 1859) es el ciclo termodinámico de las centrales termoeléctricas de vapor: bombeo de líquido, calentamiento+vaporización+sobrecalentamiento en caldera, expansión en turbina, condensación. Genera ~80% de la electricidad mundial (carbón, gas, nuclear, biomasa). Iberdrola, Endesa, Naturgy operan ~25 GW Rankine en España, en transición a CCGT y renovables.

¿Cómo se calcula la eficiencia del ciclo Rankine?

η = (W_turbina - W_bomba)/Q_caldera = (h_3-h_4 - (h_2-h_1))/(h_3-h_2), con h entalpias específicas de Tablas Vapor NIST. Para subcritical 167 bar/540°C: η_ideal=40,4%, real=38%. Para USC 300 bar/600°C: η=46%. Para nuclear PWR Almaraz 70 bar/280°C: η=33%. Real es inferior por η_turbina 88-92%, η_bomba 80-85%, pérdidas caldera 5-8%.

¿Qué es el ciclo Rankine supercrítico (USC)?

USC (Ultra-Super-Critical) opera sobre el punto crítico del agua (374°C, 220 bar) a 300 bar/600°C, alcanzando η=45-47% (vs 38-40% subcritical). Mitsubishi-Hitachi Isogo Japan es récord comercial. A-USC (Advanced) target 700°C alcanzará η>50%. Programas EU AD700, USA DOE A-USC. Requiere materiales avanzados Ni Inconel 740H, Sanicro 25 austenítico.

¿Qué es el ciclo ORC (Organic Rankine Cycle)?

ORC es una variante del ciclo Rankine con fluidos orgánicos a bajo punto de ebullición (R245fa, n-pentano, isobutano, siloxanos) en lugar de agua. Ventajas: T_max < 300°C, tamaño compacto. Aplicaciones: geotermia baja entalpia, WHR industrial (cementeras, vidrieras, acerías), CSP a media T. Eficiencia 8-22%. Empresas: Turboden (Italia), Exergy, Ormat (USA), Climeon (Suecia).

¿Cuáles son las centrales de vapor en España?

España tiene ~25 GW Rankine: Iberdrola Velilla (cerrada), Endesa Litoral Almería, Naturgy, EDP. Carbón en cierre por transición energética (cerrado 2025-2030). Nucleares 7 reactores: Almaraz I/II, Cofrentes, Trillo, Vandellós II, Ascó I/II, 21% electricidad. CSP: Gemasolar Sevilla 19,9 MW Torresol Energy, Andasol Granada 50 MW, PS10/PS20 Sanlúcar la Mayor, Solnova.

¿Qué es una central CSP solar termodinámica?

CSP usa espejos parabólicos, helióstatos o torre para concentrar luz solar y producir vapor o calor. España es líder mundial: Gemasolar Sevilla (19,9 MW), Andasol Granada (50 MW), PS10/PS20, Plataforma Solar Almería. Eficiencia global 35-42%. Acoplado a almacenamiento en sales fundidas (NaNO₃-KNO₃ a 565°C).

¿Comparación Rankine vs Brayton vs CCGT?

Brayton (turbina gas): η 35-42%. Rankine (turbina vapor): η 38-47%. CCGT (Brayton+Rankine): η 60-64% (GE 9HA.02 récord 64,1%). Para centrales gas natural CCGT es la mejor tecnología (Iberdrola Castellón, Naturgy Soto de Ribera). Para nuclear y carbón, Rankine puro. Para biomasa, ORC o Rankine.

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