Experimental and numerical study of a Sorption Energy Storage for cabin heating in electric vehicles

This work aimed to analyze the integration of Sorption Energy Storage (SES) in Electric Vehicles to increase the driving range in winter conditions. The approach involves dehumidifying recirculated air with a packed bed of adsorbing materials, preventing window fogging, reducing the intake of external air, and consequently lowering energy consumption for heating. The system was developed in several steps. First, the best performing adsorption material was selected among NaY zeolite, two types of 13X zeolite, 4A zeolite, Silica Gel Regular Density, and two composite salt-based materials. All materials were tested for both adsorption and desorption under varying inlet and regeneration conditions. 4A zeolite was identified as the most suitable due to its high water uptake (up to 157 g per liter of adsorbent bed) and the absence of technical issues such as deliquescence. Next, an existing model was adapted to the current setup and validated against experimental data. Simulations were then run to evaluate optimal desorption conditions. Regeneration temperature was found to be effective between 120 °C and 150 °C, with 120 °C chosen to minimize energy consumption and reduce material costs. A counter-current desorption flow was also shown to regenerate the material faster than a parallel flow configuration. Finally, the SES was integrated into the vehicle both through numerical simulations and experimental tests. A simplified vehicle HVAC model was used to compare thermal energy consumption with and without the SES under different ambient conditions, passenger loads, flow rates, and prior regeneration states. SES operation reduced heating consumption by 17–70%, with greater savings at higher external humidity levels. Optimal desorption lasted around 1 hour for a 1.65 L bed, balancing energy savings and regeneration cost. Electric energy savings were estimated for both a Heat Pump (HP) and a Positive Temperature Coefficient (PTC) heater, reaching up to 1.34 kWh/L for HP and 3.35 kWh/L for PTC. The corresponding potential increase in driving range is 13.4 km/L for HP and 33.5 km/L for PTC. Preliminary mock-up tests confirmed effective dehumidification, with more detailed experiments planned for future validation.

Questo lavoro ha avuto l’obiettivo di analizzare l’integrazione di un sistema di accumulo ad adsorbimento, Sorption Energy Storage (SES), nei veicoli elettrici per aumentare l’autonomia di marcia in condizioni invernali. L’approccio prevede la deumidificazione dell’aria di ricircolo tramite un letto di materiali adsorbenti, prevenendo l’appannamento dei finestrini, riducendo l’ingresso di aria esterna e, di conseguenza, abbassando il consumo energetico per il riscaldamento. Lo sviluppo del sistema ha seguito diverse fasi. In primo luogo, è stato selezionato il materiale adsorbente più performante tra zeolite NaY, due tipi di zeolite 13X, zeolite 4A, Silica Gel Regular Density e due materiali compositi a base di sali. Tutti i materiali sono stati testati sia per l’adsorbimento sia per il desorbimento, in differenti condizioni di ingresso e rigenerazione. La zeolite 4A è risultata la più adatta grazie all’elevata capacità di adsorbimento d’acqua (fino a 157 g per litro di letto adsorbente) e all’assenza di problemi tecnici come la deliquescenza. Successivamente, un modello esistente è stato adattato all’attuale configurazione e validato con dati sperimentali. Sono quindi state condotte simulazioni per ottimizzare il processo di desorbimento. La temperatura di rigenerazione si è dimostrata efficace tra 120 °C e 150 °C, scegliendo 120 °C per minimizzare il consumo energetico e ridurre i costi dei materiali. È stato inoltre dimostrato che un flusso di desorbimento controcorrente rigenera il materiale più rapidamente rispetto a un flusso in equi-corrente. Infine, il SES è stato integrato nel veicolo sia tramite simulazioni numeriche sia attraverso test sperimentali. È stato sviluppato un modello semplificato del sistema HVAC del veicolo per confrontare il consumo termico con e senza SES, considerando diverse condizioni ambientali, numero di passeggeri, portate del SES e condizioni di rigenerazione precedenti. L’uso del SES ha ridotto il consumo per il riscaldamento dal 17% al 70%, con risparmi maggiori a valori più alti di umidità esterna. La durata ottimale del desorbimento è stato di circa 1 ora per un letto da 1.65 L, bilanciando risparmio energetico e costo della rigenerazione. I risparmi di energia elettrica sono stati stimati sia per una pompa di calore, Heat Pump (HP), sia per una resistenza, Positive Temperature Coefficient (PTC), raggiungendo fino a 1.34 kWh/L per l’HP e 3.35 kWh/L per il PTC. Il potenziale incremento dell’autonomia di marcia corrispondente è di 13.4 km/L per l’HP e 33.5 km/L per il PTC. Test preliminari su un veicolo hanno confermato l’efficacia del sistema deumidificazione, con esperimenti più dettagliati previsti per future validazioni.