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Publikationen


Other Presentations | 2014

Modellierung und Regelung eines Pufferspeichers in Kombination mit einer Biomassefeuerung

Hemmer, J. Modellierung und Regelung eines Pufferspeichers in Kombination mit einer Biomassefeuerung, Master Thesis, Technische Universität Graz, Graz, Austria, 2014.

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Die vorliegende Arbeit widmet sich der Herleitung mathematischer Simulationsmodelle eines Pufferspeichers, eines Solarkollektors sowie eines Plattenwärmeübertragers. Dabei wird das Simulationsmodell des Pufferspeichers anhand eines am Markt verfügbaren Pufferspeichers entwickelt. Die mathematischen Beschreibungen der Simulationsmodelle basieren auf einer partiellen Differentialgleichung zur Beschreibung der Wärmeübertragung in einem durchströmten zylindrischen Rohr. Nach dem Erhalt der mathematischen Modelle werden diese mit einem impliziten Lösungsverfahren numerisch gelöst. Anschließend werden die experimentell zu ermittelnden Parameter des Pufferspeichermodells anhand gezielt durchgeführter Versuche bestimmt. Nach dem Ermitteln der Parameter wird das Simulationsmodell des Pufferspeichers mit einem weiteren Versuch experimentell verifiziert. Schlussendlich bildet das mathematische Modell des Pufferspeichers den untersuchten Pufferspeicher sehr zufriedenstellend ab, womit ein Simulationsmodell vorliegt, das gezielte Untersuchungen ohne aufwändige Versuche ermöglicht. Abschließend wird eine Regelung für die Wärmeübertragung aus dem Solarkollektor in den Pufferspeicher entwickelt. Dabei werden zwei in der Praxis übliche Verfahren untersucht. Bei der ersten Variante erfolgt die Übertragung der Wärme in den Pufferspeicher über ein im Pufferspeicher integriertes Solarregister. Bei der zweiten Variante erfolgt die Übertragung der Wärme über einen Plattenwärmeübertrager vom Wasser-Frostschutzgemisch auf Wasser, welches dann direkt in den Pufferspeicher eingespeist wird. Als Reglerstruktur wird in beiden Fällen ein Standard-Regelkreis mit einer statischen Vorsteuerung verwendet. Anhand von Simulationsstudien werden zunächst die Parameter des PI-Reglers festgelegt und in weiterer Folge die mit der jeweiligen Variante resultierenden Temperaturverläufe des Wassers im Pufferspeicher untersucht und gegenübergestellt. Dabei stellt sich heraus, dass die Temperatur des Wassers im Pufferspeicher, bei gleich bleibender Strahlungsstromdichte der Solarstrahlung Igauf den Solarkollektor, die gewünschte Solltemperatur bei Wärmeübertragung mittels Plattenwärmeübertrager schneller erreicht, als bei Wärmeübertragung durch das Solarregister. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung des Plattenwärmeübertragers eine Schichtung der Temperatur des Wassers im Pufferspeicher und somit eine Speicherung der Wärme auf einen höheren Temperaturniveau.


Other Presentations | 2013

Modellierung und Regelung von Biomasse-Thermoölkesselanlagen

Dietachmayr, F. Modellierung und Regelung von Biomasse-Thermoölkesselanlagen, Master Thesis, Master Thesis, Technische Universität Graz, Graz, Austria, 2013.

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Die Verbrennung fester Biomasse gewinnt als nachhaltige Form der Energieerzeugung stetig an Bedeutung. Eine mögliche Technologie stellen dabei Biomasse-Thermoölkesselanlagen dar, deren Regelungen bis jetzt noch nicht auf einem mathematischen Modell basieren und dementsprechend deren verkoppeltes und zum Teil nichtlineares Verhalten nur ungenügend berücksichtigen. Ziel dieser Arbeit ist es, ein für Biomassefeuerungsanlagen mit Wasserkesseln existierendes Modell sowie die darauf aufbauende Regelungsstrategie an die speziellen Gegebenheiten von Thermoölkesselanlagen anzupassen. Dazu wird zunächst ein einfaches Modell für Thermoölwärmeübertrager auf Basis einer Energiebilanz hergeleitet und anhand von verfügbaren Betriebsdaten qualitativ verifiziert. Anschließend wird die bei der Regelung von Wasserkesselanlagen eingesetzte Eingangs-Ausgangslinearisierung verallgemeinert. Darauf aufbauend wird eine Regelungsstrategie zur Regelung des Thermoölwärmeübertragers hergeleitet. Die Leistungsfähigkeit des Regelungskonzeptes wird schließlich in Simulationsstudien gezeigt. 


Peer Reviewed Scientific Journals | 2017

Modelling heat of reaction in biomass pyrolysis with detailed reaction schemes

Anca-Couce A, Scharler R. Modelling heat of reaction in biomass pyrolysis with detailed reaction schemes. Fuel. 15 October 2017;206: 572-579.

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Primary devolatilization and the exothermic heterogeneous secondary charring of the primary volatiles need to be described in a consistent manner in order to correctly predict the heat of reaction of biomass pyrolysis. Detailed reaction schemes can currently predict mass loss and product composition of biomass pyrolysis with good accuracy, but have a weakness in the description of the heat of reaction. In this work it is shown for the first time that including secondary charring reactions a detailed reaction scheme can predict the evolution of the heat of pyrolysis for different conditions. The enthalpy of reaction is calculated for each reaction as the difference between the net calorific value of reactants and products. The presented model is able to describe the heat evolution in micro-TGA-DSC experiments conducted without a lid, where pyrolysis is endothermic, and with a lid, where secondary reactions are enhanced and the global heat of reaction shifts to exothermic. Furthermore, when it is coupled to a particle model, it correctly describes single particle pyrolysis experiments conducted with beech spheres where there is a remarkably exothermic peak in the centre temperature.


Contributions at other events | 2013

Modelling of biomass packed bed combustion

Mehrabian, R. Modelling of biomass packed bed combustion, Ph.D. Thesis, Graz University of Technology, Graz, Austria, 2013.

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 Im Bereich der thermischen Biomassenutzung (speziell Rostfeuerungen) werden CFD-Simulationen eingesetzt, um Hilfestellung bei der Diagnose und Lösung von Betriebsproblemen zu leisten sowie bei der Entwicklung von neuen Feuerungen und Kesseln zu unterstützen. Zurzeit sind keine Modelle verfügbar, mit denen sowohl die Vorgänge im Brennstoffbett als auch in der Gasphase einer Biomasse-Rostfeuerung mit Hilfe von detaillierten numerischen Modellen bei akzeptabler Berechungszeit simuliert werden können. Um die direkte Kopplung des Bett-Modells mit der Gasphase zu bewerkstelligen, ist es nötig, ein geeignetes Partikel-Modell zu entwickeln, welches die thermische Konversion (Trocknung, Pyrolyse und Holzkohle-Ausbrand) von thermisch dicken Biomassepartikeln beschreibt und mit bereits vorhandenen CFD-Modellen für die Gasphasensimulation gekoppelt werden kann. In diesem Schalenmodell werden die einzelnen Biomassepartikel als thermisch dick behandelt, d.h. die Temperaturgradienten in den einzelnen Partikeln sowie der gleichzeitige Ablauf mehrerer Umwandlungsprozesse berücksichtigt. Das Schalenmodell wurde mit Hilfe von gemessenen Partikeloberflächen- und -zentrumstemperaturen sowie mit Messwerten des Gesamtmasseverlustes während der Verbrennung in einem Einzel-Partikelreaktor validiert. Ein weiteres Problem, das bei der Simulation von Biomasse-Rostfeuerungen auftritt, ist die Modellierung der Gas-Festkörper-Mehrphasenströmung. Das Modell muss dabei in der Lage sein, den Einfluss der Partikel-Partikel-Wechselwirkung währenden der Partikelbewegung am Rost korrekt zu beschreiben. Aus diesem Grund wurde durch Kopplung von Euler- und Lagrange Mehrphasenströmungs- Ansätzen ein neues, dreidimensionales Schüttungsmodell entwickelt. Dabei wird die Partikelbewegung am Rost mit Hilfe eines Euler-Ansatzes (Euler-Granular-Modell) beschrieben, während die thermische Umwandlung der Biomassepartikel mit Hilfe eines Lagrange-Ansatzes und dem entwickelten Einzelpartikelmodell beschrieben wird. Das 3D-Festbettmodell für Biomasserostfeuerungen wurde eingesetzt, um eine 20 kW Biomasse-Unterschubfeuerung zu simulieren. Da es keine experimentelle Daten hinsichtlich der Bedingungen im Brennstoffbett gab, wurden qualitative Informationen hinsichtlich der Positionen der Trocknungs-, Pyrolyse- und Holzkohle-Ausbrandzonen, sowie mit Thermoelementen gemessenen Rauchgastemperaturen an verschiedenen Positionen in der Brennkammer zum Vergleich mit den Simulationsergebnissen herangezogen. Des Weiteren erfolgte im Zuge dieser Arbeit eine Weiterentwicklung des Festbett-Modells, indem der Strahlungsaustausch zwischen den Partikeln sowie detaillierte kinetische Modelle für die Gasphasenverbrennung im Modell implementiert wurden. Das weiterentwickelte Modell wurde mit Hilfe von experimentellen Daten aus Testläufen in einem Festbett-Laborreaktor validiert. Diese Messdaten beinhalten gemessene Konzentrationen von CO, CO2, CH4, H2, H2O und O2 im Rauchgas über dem Brennstoffbett sowie Temperaturen in unterschiedlichen Positionen im Bett und über dem Bett. Die vorhergesagten Werte zeigten eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Werten.


Contributions to trade journals | 2010

Modelling of grate combustion in a medium scale biomass furnace for control purposes

Bauer R, Gölles M, Brunner T, Dourdoumas N, Obernberger I. Modelling of grate combustion in a medium scale biomass furnace for control purposes. Biomass Bioenergy. 2010;34(4):417-27.

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A new mathematical model for the grate combustion of biomass has been derived from physical considerations. Various models for grate combustion can already be found in the literature. Usually their intention is to simulate the real situation in a furnace as precisely as possible. Hence they are very detailed, typically consisting of many partial differential equations. However, because of their complexity they are useless for control purposes. The new model is very simple, consisting of only two ordinary differential equations, which makes it particularly suitable as a basis for model based control strategies. To verify the model, experiments were performed at a pilot scale furnace with horizontally moving grate. The pilot plant is a downscaled version (180 kWth) of a typical medium scale furnace in terms of geometry and instrumentation. Comparison of the measured and calculated values shows good agreement. © 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.


Conference Papers | 2017

Modellprädiktive Regelung eines solar-und biomassebasierten Fernwärmenetzes

Moser A, Muschick D, Lichtenegger K, Gölles M, Hofer A. Modellprädiktive Regelung eines solar- und biomassebasierten Fernwärmenetzes. Zukunft der Gebäude: digital - dezentral - ökologisch. 23 Nov 2017; Leykam;16:151-159.

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The use of renewable-energy-based heat producers within district heating grids is getting more and more popular. In order to benefit from the advantages and compensate for the different disadvantages of the various types of heat producers powered by renewable energy sources like biomass, solar energy or waste heat, a combination of these systems could be favoured over using, for example, only one main biomass-based boiler. Furthermore , in many cases, the additional use of buffer storages is necessary to fully benefit from the use of these kinds of heat producers. A major challenge with such multi-producer heating grids is the cost optimal management of all heat producers and buffer storages. Therefore , a high-level control strategy is necessary, which is able to plan ahead the use of slowly reacting and/or weather dependent heat producers while minimizing operational costs and pollutant emissions. This article shows the development of a linear model predictive controller (MPC) for a district heating grid with several (renewable) decentralized heat producers and heat storages. In order to provide the MPC with the required forecast of the future heat demand, an adaptive load forecasting method has been designed. Additionally, in order to be able to incorporate solar panels, the MPC needs to have a forecast of their possible future heat output. Therefore, a physically motivated solar yield forecasting method has been designed. The required prediction models for the MPC were represented by so-called mixed logical dynamical (MLD) system models. MLD system models combine the modelling power of discrete state system models (finite state machines) and discrete time system models by the extension of the regular linear state-space system model approach with integer and continuous auxiliary variables and linear inequality constraints. The occurrence of both integer and continuous variables within the resulting optimization problem of the MPC leads to a mixed-integer linear program (MILP), which can be solved efficiently using modern MILP solvers. The resulting control strategy is tested in a thermo-hydraulic simulation environment of an actual small-scale multi-producer district heating grid consisting of a medium-scale wood chip boiler with buffer storage, a solar collector with buffer storage and a high temperature heat pump, an oil boiler and 25 heat consumers. Additionally, a state observer was designed and connected with the MPC in order to detect control errors and to incorporate feedback from the heat producers and the buffer storages. The simulations have indicated that the designed MPC and the state observer work properly. Therefore, these elements have been implemented on-site on the actual heating grid, with the first test run scheduled for October 2017.
Modellprädiktive Regelung eines solar-und biomassebasierten Fernwärmenetzes | Request PDF. Available from: https://www.researchgate.net/publication/321314304_Modellpradiktive_Regelung_eines_solar-und_biomassebasierten_Fernwarmenetzes [accessed Feb 21 2018].


Other Presentations | 2020

Modern control strategies for biomass combustion systems in residential heating systems

Gölles M, Zemann C. Modern control strategies for biomass combustion systems in residential heating systems. At 6th Central European Biomass Conference IEA-Workshop: TASK 32. Oral Presenation. 23.01.2020.

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Conference contributions | 2020

Modern control strategies for biomass combustion systems in residential heating systems

Gölles M, Zemann C. Modern control strategies for biomass combustion systems in residential heating systems. 6th Central European Biomass Conference, 2020, Graz.

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Conference contributions | 2012

Modern logwood stoves – Requirements, Development, Evaluation

Schmidl C, Aigenbauer S, Figl F, Haslinger W, Moser W, Verma VK. Modern logwood stoves – Requirements, Development, Evaluation, IEA Bioenergy Conference 2012, 13th-15th of November 2012, Vienna, Austria.

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Conference contributions | 2020

Modification of ash properties in fixed bed combustion systems

Sommersacher P, Retschitzegger S. Modification of ash properties in fixed bed combustion systems. 6th Central European Biomass Conference, 22-24 January 2020, Graz.

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Peer Reviewed Scientific Journals | 2016

Modification of Co/Al2O3 Fischer–Tropsch Nanocatalysts by Adding Ni: A Kinetic Approach

Nikparsa P, Mirzaei AA, Rauch R. Modification of Co/Al2O3 Fischer–Tropsch Nanocatalysts by Adding Ni: A Kinetic Approach. International Journal of Chemical Kinetics. 1 March 2016;48(3): 131-142.

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Other Presentations | 2018

Modular Energy Management Systems for future cross-sectoral energy systems

Muschick D, Moser A, Stadler M, Gölles M. Modular Energy Management Systems for future cross-sectoral energy systems. World Sustainable Energy Days 2018.

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Conference contributions | 2018

Modular optimization-based energy management framework for cross-sectoral energy networks

Muschick D, Gölles M, Moser A. Modular optimization-based energy management framework for cross-sectoral energy networks. 5th International Solar District Heating Conference SDH. Graz, Austria: 2018. (Poster)

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Other Presentations | 2018

Modulares Energiemanagementsystem für sektorübergreifende Energiesysteme

Muschick D, Moser A, Stadler M, Gölles M. Modulares Energiemanagementsystem für sektorübergreifende Energiesysteme. 15. Symposiums Energieinnovation; Februar 2018.

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Reviewed Conference Papers | 2014

Multi-physics modelling of packed bed biomass combustion

Mehrabian R, Shiehnejadhesar A, Scharler R, Obernberger I. Multi-physics modelling of packed bed biomass combustion. Fuel. 2014;122:164-78.

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A transient 3D model for two main zones, namely the fuel bed and the freeboard, of biomass packed bed combustion systems was developed. It integrates the models for the biomass conversion sub-processes and solves the governing equations for the gas and solid phase and their interactions. The intra-particle gradients are included by considering the biomass particles as thermally thick particles. The shrinkage of the packed bed and the variations of the bed porosity due to the uneven consumption of the fuel are taken into account. Detailed kinetic mechanisms are used for the simulation of homogeneous gas phase reactions. To verify the model and to increase the understanding of packed bed combustion, laboratory-scale fixed-bed batch experiments have been performed in a reactor with 9.5 cm diameter and 10 cm length. The model performance was extensively validated with gas phase measurements (CO, CO2, CH4, H2, H2O and O2) above the fuel bed, temperatures at different heights in the bed and in the freeboard, and the propagation rate of reaction front. The simulation results are in a good agreement with the measured values. © 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.


Conference contributions | 2015

Nachhaltige Versorgungs und Wertschöpfungsketten

Strasser C. Nachhaltige Versorgungs und Wertschöpfungsketten, "Biomasse der Zukunft" - Internationale Konferenz auf Schloss Weinzierl 2015, 29th of Januar 2015, Wieselburg, Austria.

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Conference contributions | 2015

Natural ventilation measures for CO off-gassing in small pellet storages

Emhofer W, Lichtenegger K, Haslinger W, Sedlmayer I. Natural ventilation measures for CO off-gassing in small pellet storages, Word Sustainable Energy Days next 2015, 24th-27th of February 2015, Wels, Austria.

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Conference contributions | 2009

Neue Rohstoffsortimente für die Holzpelletsproduktion – Einfluss eines erhöhten Rindenanteils auf die Verbrennungseigenschaften

Haslinger W, Friedl G, Wopienka E, Emhofer W. Neue Rohstoffsortimente für die Holzpelletsproduktion – Einfluss eines erhöhten Rindenanteils auf die Verbrennungseigenschaften, 9. Industrieforum Pellets 2009, 7th-9th of October 2009, Stuttgart, Germany.

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Holzpellets werden in zunehmendem Maße aus Hackschnitzel hergestellt. Es ist davon auszugehen, dass diese Veränderung der Rohstoffbasis zu erhöhten Aschegehalten im Brennstoff führt und zu Schwierigkeiten bei der Nutzung führen kann. Die vorliegende Arbeit kommt zum Schluss, dass moderate Anteile (< 5%) sauberer Rinde zu keinen wesentlichen Verschlackungen führen. Bei Verunreinigung oder / und sehr hohen Rindenanteilen ist mit
Verschlackungsproblemen jedenfalls zu rechnen.


Conference contributions | 2013

New concepts for converting renewable electricity to transportation fuels by CO2 gasification

Rauch R. New concepts for converting renewable electricity to transportation fuels by CO2 gasification, 1st International Industrial Seminar Messer Benelux 2013, 18th of April 2013, Antwerp, Belgium.

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Peer Reviewed Scientific Journals | 2019

New experimental evaluation strategies regarding slag prediction of solid biofuels in pellet boilers

Schön C, Feldmeier S, Hartmann H, Schwabl M, Dahl J, Rathbauer J, Vega-Nieva D, Boman C, Öhman M, Burvall J. New experimental evaluation strategies regarding slag prediction of solid biofuels in pellet boilers. Energy & Fuels. 2019.33:11985-11995

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Pellet boilers and pellet stoves are widely used for heat production. But in most cases, only specific wood pellets with a low ash content are approved due to the increased risk of slagging and limited deashing capacity. The ash fusion test (AFT), according to prCEN/TS 15370-1, is currently the only standard method for the prediction of slagging. This method is not feasible for all biomass fuel types, since sometimes the characteristic temperatures cannot be determined or the characteristic shapes do not occur for temperature determination. Furthermore, the method is costly and requires complex instrumental infrastructure. Hence, a demand for more expressive or more rapid methods to characterize slag formation potential of fuels is often claimed. Based on a literature study, four such laboratory test methods were chosen, partly adapted, and then experimentally investigated. These methods included thermal treatment of the fuel itself or the ashes of the fuel and were the rapid slag test, CIEMAT, the slag analyzer, and the newly developed pellet ash and slag sieving assessment (PASSA) method. Method performance was practically assessed using 14 different biomass fuel pellets, which were mainly from different assortments of wood, but also herbaceous or other nonwoody fuels. The results from the tests with these four alternative methods were evaluated by comparing to both results from standard AFT and results from full-scale combustion tests performed over a maximum of 24 h. Seven different pellet boilers were assessed, of which one boiler was used to apply all 14 test fuels. According to the granulometric ash analysis (i.e., the ratio of >1 mm-fraction toward total ash formed), the sensitivity of the new test methods to depict slagging phenomena at a suitable level of differentiation was assessed. Satisfactory conformity of the boiler ash assessment (reference) was found for both, the slag analyzer and the PASSA method. The latter may, in particular, be seen as a promising and relatively simple low-input procedure, which can provide more real-life oriented test results for fixed-bed combustion. The standardized AFT could, however, not sufficiently predict the degree of slag actually formed in the reference boiler, particularly when only wood fuels are regarded.


Other Presentations | 2010

Niedertemperatur Drehrohrpyrolyse als Vorschaltprozess für die Co-Verbrennung von unkonventionellen Brennstoffen in thermischen Anlagen

Kern, S. Niedertemperatur Drehrohrpyrolyse als Vorschaltprozess für die Co-Verbrennung von unkonventionellen Brennstoffen in thermischen Anlagen, Master Thesis, Technische Universität Wien, Vienna, Austria, 2010.

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Conference Papers | 2017

Nitrogen Assessment in Small Scale Biomass Heating Systems

Enigl M, Strasser C, Hochbichler E, Schmidl C. Nitrogen Assessment in Small Scale Biomass Heating Systems. 25th European Biomass Conference & Exhibition (Poster). June 2017, Stockholm, Sweden.

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Conference Papers | 2017

Novel concepts for CO2 utilisation to produce value added products

Sonnleitner A, Dißauer C, Martini S, Drosg B, Meixner K, Rachbauer L, Lazarova Z, Herwig C, Kinger G, Kofler I, Strasser C. Novel concepts for CO2 utilisation to produce value added products. 5th Central European Biomass Conference (Poster). January 2017, Graz, Austria.

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Conference contributions | 2020

NOx Modelling and Emission Reduction

Eßl M, NOx Modelling and Emission Reduction. 6th Central European Biomass Conference, 22-24 January 2020, Graz.

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Peer Reviewed Scientific Journals | 2019

NPK 2.0: Introducing tensor decompositions to the kinetic analysis of gas–solid reactions

Birkelbach F, Deutsch M, Flegkas S, Winter F, Werner A. NPK 2.0: Introducing tensor decompositions to the kinetic analysis of gas–solid reactions. Int J Chem Kinet. 2019;1–11.

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A method for deriving kinetic models of gas–solid reactions for reactor and process design is presented. It is based on the nonparametric kinetics (NPK) method and resolves many of its shortcomings by applying tensor rank‐1 approximation methods. With this method, it is possible to derive kinetic models based on the general kinetic equation from any combination of experiments without additional a priori assumptions. The most notable improvements over the original method are that it is computationally much simpler and that it is not limited to two variables. Two algorithms for computing the rank‐1 approximation as well as a tailored initialization method are presented, and their performance is assessed. Formulae for the variance estimation of the solution values are derived to improve the accuracy of the model identification and to provide a tool for diagnosing the quality of the kinetic model. The methods effectiveness and performance are assessed by applying it to a simulated data set. A Matlab implementation is available as Supporting Information.