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1. Introduction

Dans l’industrie pharmaceutique, et plus particulièrement dans la fabrication de médicaments stériles et injectables, la maîtrise de l’environnement de production constitue un enjeu majeur de qualité et de sécurité du patient. Dans le strict respect des Bonnes Pratiques de Fabrication (BPF) et des exigences réglementaires associées, notamment celles des Annexes 1 et 15 relatives respectivement à la fabrication des médicaments stériles et à la qualification et validation, tout paramètre susceptible d’affecter la qualité du produit doit être maîtrisé et sa maitrise démontrée.

 

Dans cette démarche, le système aéraulique, composé notamment des centrales de traitement d’air neuf (CTA « make-up »), des recycleurs et des réseaux associés, joue un rôle déterminant dans le maintien des conditions requises en zones à atmosphère contrôlée : maîtrise de la contamination particulaire et microbiologique, température, humidité relative, renouvellement d’air et cascades de pression. Sa performance est ainsi essentielle à la maîtrise de la contamination en production de médicaments stériles.

Cette exigence s’accompagne toutefois d’un enjeu énergétique considérable. Selon la littérature technique, la ventilation constitue l’un des principaux postes de consommation des installations HVAC et peut représenter, selon leur configuration, plus de 40 % de leur consommation énergétique.

 

Cette réalité place les systèmes aérauliques au cœur des enjeux actuels de performance énergétique et de décarbonation de l’industrie pharmaceutique. Dès lors, une question essentielle se pose : comment réduire significativement les consommations électriques liées à la ventilation sans compromettre le niveau de maîtrise environnementale requis par les procédés pharmaceutiques ? Pour tenter d’y répondre, il est nécessaire de s’intéresser au cœur même du système aéraulique et, plus particulièrement, aux paramètres qui influencent la consommation électrique des ventilateurs des recycleurs d’air.

 

Lorsque le recyclage de l’air est compatible avec les exigences du procédé et de la maîtrise de la contamination, l’association de recycleurs et de CTA d’air neuf (« make-up ») constitue une stratégie pertinente. Elle permet de limiter l’apport d’air neuf au débit nécessaire, tout en assurant les conditions requises. Chaque mètre cube d’air neuf introduit doit en effet être traité pour atteindre les conditions thermohygrométriques adaptées à la salle propre. La maîtrise de son débit constitue ainsi un levier important de réduction de la consommation énergétique globale. La réduction du débit d’air neuf conduit ainsi à faire des performances énergétiques des recycleurs un enjeu majeur, ceux-ci assurant la recirculation de la majeure partie du débit d’air de la salle.

 

Dans ce contexte, la présente étude compare les performances énergétiques de différentes configurations de recycleurs d’air destinés aux salles propres pharmaceutiques. Elle vise à identifier les principaux paramètres influençant la consommation électrique des ventilateurs et à évaluer le coût total de possession des recycleurs sur 20 ans.

L’analyse porte sur les environnements de production d’injectables, cas d’étude représentatif des exigences élevées des procédés pharmaceutiques stériles. Cette problématique est particulièrement importante, puisque les systèmes de traitement et de recyclage de l’air fonctionnent généralement en continu, 24 h/24 et 365 jours/an, à l’exception des arrêts techniques planifiés pour les opérations de maintenance et de requalification. Ainsi, les écarts de performance énergétique entre les solutions étudiées peuvent entraîner, sur 20 ans, des différences significatives de consommation électrique et d’émissions de gaz à effet de serre.

 

L’enjeu ne se limite donc pas au coût d’investissement initial ni au seul coût total de possession à 20 ans, mais consiste à identifier la solution offrant le meilleur équilibre entre performance énergétique, maîtrise de l’environnement, fiabilité d’exploitation et pertinence économique, tant au regard de son coût global que de son temps de retour sur investissement.

 

2. Objet et périmètre de l'étude ?

L’étude vise à comparer les performances énergétiques de quatre configurations de recycleurs d’air destinés aux salles propres pharmaceutiques, correspondant à quatre niveaux de performance énergétique : faible, cible, haute et très haute (voir Figure 2).

Elle analyse également leur coût total de possession (TCO) sur une période d’exploitation de 20 ans, en intégrant l’investissement initial (CAPEX), les coûts d’électricité liés au fonctionnement des ventilateurs des recycleurs et les coûts de maintenance liés au remplacement des filtres.

 

Le bilan électrique est volontairement limité à la consommation des ventilateurs des recycleurs d’air. La consommation des ventilateurs des CTA d’air neuf (« make-up ») est exclue, le débit d’air neuf représentant 10% du débit soufflé par les recycleurs. Les consommations liées au chauffage, au refroidissement, à la déshumidification et à l’humidification de l’air sont également exclues. L’analyse porte ainsi sur l’influence des caractéristiques techniques des recycleurs sur leur performance énergétique et leur coût d’exploitation.

 

En complément du guide de l’ASPEC intitulé La performance énergétique en ambiances propres (2016), qui constitue un outil de référence, le présent article propose une approche dédiée aux applications pharmaceutiques mettant en perspective les performances énergétiques des différentes solutions et leur TCO sur 20 ans afin d’éclairer les industriels sur les choix technico-économiques dès la conception. L’objectif est de concilier les exigences de performance des salles propres, la maîtrise des coûts d’exploitation et la réduction durable des consommations électriques et des émissions de gaz à effet de serre.

 

Figure 2 – Objet, périmètre et critères de comparaison de l’étude

 

3. Cas d'étude, configurations et méthodologie

L’objectif de cette partie est de définir précisément le cas d’étude et les conditions dans lesquelles les quatre recycleurs seront comparés, puis de présenter leurs caractéristiques techniques et la méthodologie retenue pour évaluer leurs performances énergétiques et économiques. Dans la suite de l’article, les recycleurs d’air étudiés sont désignés par l’abréviation « R », suivie du numéro de configuration : R1, R2, R3 et R4.

 

          3.1 Hypothèses de dimensionnement et conditions de comparaison

Le cas d’étude retenu correspond à une zone à atmosphère contrôlée (ZAC) dédiée à la production de médicaments injectables, intégrant une unité de production équipée d’isolateurs fermés assurant un environnement de classe pharmaceutique A (ISO 5 au repos et en activité et des niveaux de surveillance microbiologique, Air/Surfaces/personnel) au niveau des zones critiques, implantée dans une salle propre d’environnement de classe pharmaceutique C (ISO 7 au repos, ISO 8 en activité et des niveaux de surveillance microbiologiques, Air et Surfaces).

 

Afin de disposer d’une base de comparaison commune, les quatre configurations de R sont étudiées pour une même salle propre de 300 m², d’une hauteur sous plafond de 3 m, soit un volume de 900 m³, afin que les écarts de performance résultent des choix techniques propres à chaque R.

Les installations HVAC fonctionnent en continu, 24 h/24 et 365 jours/an, hors arrêts techniques. La température, l’humidité relative et les niveaux de pression sont considérés identiques pour les quatre configurations, selon les valeurs indiquées sur le schéma de principe aéraulique (PID) présenté en Figure 3.

 

Figure 3 – Schéma de principe aéraulique (PID) de l’installation étudiée

 

Petit point d’arrêt sur le PID et le maintien du taux de brassage de la salle. Le maintien du taux de brassage repose ici sur un débit d’air soufflé constant, assuré par les registres à débit constant placés en amont des filtres terminaux H14. Le recycleur est, quant à lui, régulé finement sur un point de consigne de pression au soufflage, afin de maintenir une pression suffisante en amont de ces registres pour garantir le débit d’air de soufflage requis.

 

Le dimensionnement de chaque R repose sur le débit d’air total, déterminé par le volume de la salle et le taux de brassage (Tx Brass). Pour le cas d’étude, fixé à 25 vol/h, le débit de référence est de 22 500 m³/h pour une salle de 900 m³ (Q = V × Tx Brass). Ce débit, identique pour les quatre configurations, permet de comparer leurs performances énergétiques à service rendu équivalent et d’attribuer les écarts observés à leurs caractéristiques techniques et à leur conception.

 

          3.2 Configurations et caractéristiques techniques des Recycleurs

Quatre configurations de R ont été retenues afin d’étudier l’influence de leurs choix de conception sur les performances énergétiques. Elles correspondent à quatre niveaux de performance énergétique croissants : faible, cible, haute et très haute, désignés respectivement R1, R2, R3 et R4.

Les configurations se distinguent notamment par le dimensionnement du R, en particulier la section du tunnel, qui influence les conditions de passage de l’air et le système de filtration. Les mêmes gammes de filtres F7 et E10, sélectionnées pour leurs faibles pertes de charge, sont utilisées pour les quatre R, avec un nombre de filtres et une surface de filtration adaptés à la section de chaque configuration. La technologie de ventilation constitue également un paramètre de différenciation.

Les sélections ont été réalisées conjointement par CERIS Ingénierie et TROX, sur la base du savoir-faire du fabricant et de son logiciel de sélection.

Les principales caractéristiques des quatre configurations sont présentées dans le Tableau 1.

 

Tableau 1 – Données d’entrée et principales caractéristiques des quatre configurations de Recycleurs étudiées

 

Dimensionnement aéraulique des Recycleurs

La performance énergétique d’un recycleur dépend notamment du dimensionnement de la section de son tunnel. À débit identique, celle-ci conditionne la vitesse de circulation de l’air et les pertes de charge générées par les différents composants. Les quatre configurations sont différenciées par leur section de passage, pour un débit nominal de 22 500 m³/h. Le dimensionnement repose sur une vitesse de référence au niveau de la batterie froide :

Cette plage de vitesses, issue du retour d’expérience sur des applications de recycleurs en environnement pharmaceutique, représente différents niveaux de dimensionnement, de la configuration la plus compacte à celle favorisant les faibles vitesses de passage.

À débit constant, la diminution de la vitesse entraîne une augmentation de la section du tunnel et une modification des pertes de charge internes. Pour 22 500 m³/h, celles-ci, hors système de filtration, sont respectivement de 107 Pa pour R1, 60 Pa pour R2, 46 Pa pour R3 et 38 Pa pour R4.

 

Système de filtration

Les quatre recycleurs sont équipés de deux étages de filtration : un premier étage constitué de filtres fin à dièdres de classe F7, d’efficacité ePM1 de 60 % et de classe d’efficacité énergétique A, positionné à l’entrée du recycleur, et un second étage de filtres EPA à dièdres de classe E10 selon la norme EN 1822-1 (en révision), placés en sortie du recycleur.

Le filtre F7 assure une filtration fine en amont du recycleur et contribue à la protection de ses composants internes. Le filtre E10 protège le réseau de soufflage et les filtres terminaux H14 de la salle propre en réduisant la concentration particulaire en amont de ces derniers.

Le choix d’un E10 plutôt qu’un F9 permet ainsi de limiter l’encrassement des H14 et de prolonger significativement leur durée de vie, qui peut dépasser 12 ans selon les caractéristiques et la qualité des filtres.

Les filtres retenus présentent de faibles pertes de charge afin de limiter leur contribution à la résistance aéraulique globale du recycleur (voir données au Tableau 1).

 

Influence de la section du Recycleur sur la surface de filtration

Toutefois, l’utilisation d’une même gamme de filtres ne signifie pas que leur intégration est identique dans les quatre recycleurs. L’augmentation de la section du tunnel permet d’installer davantage de cellules filtrantes et d’augmenter ainsi la surface totale de filtration.

À débit constant de 22 500 m³/h, cette augmentation réduit la vitesse de passage de l’air dans les cellules. Cette distinction est essentielle : la vitesse de référence au niveau de la batterie froide dimensionne le tunnel, tandis que la vitesse dans les cellules filtrantes dépend du nombre de cellules et de leur surface.

 

Entre R1 et R4, la surface totale de filtration évolue ainsi de 116,2 à 165,2 m² pour le F7 et de 120,4 à 170,8 m² pour l’E10. À débit identique, cette augmentation de la surface filtrante réduit leur résistance aéraulique et influence l’évolution de leur perte de charge au cours de l’utilisation.

Les figures suivantes présentent les courbes d’évolution de la perte de charge des filtres F7 et E10 retenus dans les quatre configurations de recycleurs.

 

Figures 4 & 5 – Evolution de la perte de charge des filtres F7 et E10 pour les quatre configurations de Recycleurs

 

Les courbes caractérisent l’évolution de la résistance aéraulique des filtres entre leur état initial et leur fin de période d’utilisation. Ces données sont ensuite utilisées pour évaluer la puissance requise par les ventilateurs et son évolution au cours de la période d’étude.

 

          3.2.3 Technologies de ventilation

La technologie du ventilateur constitue un paramètre déterminant de la performance énergétique du recycleur et permet d’évaluer son influence sur les performances aérauliques et la consommation électrique. Les quatre configurations utilisent des ventilateurs centrifuges dont l’architecture et la technologie de motorisation diffèrent selon le niveau de performance (voir Figure 6) :

 

La configuration R1 présente plusieurs limites : son Plug Fan à moteur asynchrone est plus encombrant et lourd, ce qui peut contraindre la manutention et le remplacement et nécessiter un tunnel légèrement plus long, avec un impact potentiel sur le dimensionnement et le coût du recycleur. Sur le plan énergétique, son rendement est inférieur à celui des technologies R2 à R4 et son comportement à charge partielle diffère, notamment lorsque le débit est réduit durant les phases nocturnes ou les arrêts de production.

Le scénario de référence est évalué à débit nominal constant ; le fonctionnement à charge réduite est étudié séparément au chapitre 4.

Afin de comparer ces technologies dans des conditions identiques, les ventilateurs sont sélectionnés pour un débit global de 22 500 m³/h et une pression externe disponible de 800 Pa. Une perte de charge finale de 200 Pa est retenue pour les filtres terminaux H14, soit 25 % de la pression externe considérée.

 

Les principales architectures de ventilation retenues sont présentées dans la figure suivante.

 

Figure 6 – Principales architectures de ventilation étudiées : Plug Fan, Fan Wall et Hybride à volutes multiples - Photographies prises dans l’usine TROX de Düsseldorf, en Allemagne. 

 

Comparaison des performances

Deux indicateurs complémentaires caractérisent la performance énergétique des systèmes de ventilation : le rendement et le SFPv (Specific Fan Power) (voir données techniques au Tableau 1).

Le rendement caractérise la conversion de l’énergie électrique en puissance aéraulique utile, tandis que le SFPv relie la puissance électrique absorbée au débit d’air traité en intégrant les conditions de fonctionnement, notamment la pression à fournir. Cette progression est associée à l’évolution des architectures de ventilation : Plug Fan à moteur asynchrone pour R1, Fan Wall à moteurs EC pour R2, puis RQM à volutes multiples et moteurs à aimants permanents pour R3 et R4. Cette dernière intègre un dispositif de redirection du flux visant à mieux maîtriser les conditions de refoulement et limiter les interactions entre flux.

 

R3 et R4 reposent sur la même architecture, le même nombre de ventilateurs et la même motorisation, mais utilisent deux références RQM distinctes, F3-5036 pour R3 et F3-5663 pour R4, permettant d’isoler l’influence du dimensionnement des ventilateurs.

R4, associé à une section de passage plus importante et à une vitesse plus faible au niveau de la batterie froide, utilise une taille de ventilateur supérieure adaptée au point de fonctionnement recherché. L’écart de performance entre R3 et R4 ne traduit donc pas une évolution technologique, mais résulte de l’association entre le dimensionnement du recycleur, les caractéristiques du ventilateur et le point de fonctionnement.

 

          3.3 Méthodologie d'évaluation

          3.3.1 Méthodologie d'évaluation énergétique

Afin de comparer quantitativement les performances énergétiques des quatre configurations, une simulation numérique dynamique est réalisée sur une durée de 20 ans, avec un pas de temps horaire. Les recycleurs sont considérés en fonctionnement continu afin de maintenir les conditions aérauliques requises dans la salle propre définies précédemment.

À chaque pas de temps, la perte de charge des filtres F7 et E10 est déterminée en fonction de leur durée de fonctionnement et de leur évolution au cours de leur cycle d’utilisation, selon les lois établies à partir des données présentées précédemment. Le débit étant maintenu constant à 22 500 m³/h, les pertes de charge des autres composants du recycleur sont considérées comme constantes. La perte de charge totale évolue ainsi au cours du temps en fonction de l’encrassement des filtres.

La simulation intègre la stratégie de remplacement des filtres, avec remplacement systématique selon une fréquence prédéfinie : les filtres F7 sont remplacés tous les 8 760 h, soit une fois par an, et les filtres E10 tous les 17 520 h, soit tous les deux ans. La durée réelle des interventions n’est pas modélisée ; elles sont considérées comme ponctuelles à l’échelle du modèle. Après chaque remplacement, la perte de charge du filtre concerné est réinitialisée à sa valeur initiale.

La figure suivante illustre l’évolution de la perte de charge globale des filtres F7 et E10 au cours de la période d’étude.

 

Figure 7 – Évolution de la perte de charge globale des filtres F7 et E10 selon la stratégie de remplacement

 

À chaque pas de temps, la perte de charge totale détermine le point de fonctionnement et la puissance absorbée par le ventilateur, le débit étant maintenu constant. La relation entre puissance électrique et perte de charge, établie à partir de plusieurs points de fonctionnement issus du logiciel de sélection TROX puis ajustée mathématiquement, est intégrée à la simulation sur 20 ans afin de prendre en compte l’évolution de la puissance absorbée avec l’encrassement des filtres.

En complément du scénario de référence à débit nominal constant, une analyse à charge réduite évalue l’influence de la diminution du débit sur les performances des différentes technologies de ventilation. Elle compare deux points de fonctionnement : le débit nominal et un débit réduit correspondant à un taux de brassage de 15 vol/h. Pour chacun, les pertes de charge des filtres F7 et E10 sont fixées à la moyenne de leurs valeurs initiale et finale, et la perte de charge interne du recycleur, hors filtres, est adaptée au point de fonctionnement considéré. La pression statique disponible pour les parties externes associées est, ajustée de 800 à 500 Pa.

 

          3.3.2 Méthodologie économique et hypothèses associées

Afin de comparer les configurations R1 à R4 sur le plan économique, l’analyse prend en compte les principaux coûts au cycle de vie du recycleur sur 20 ans.

Le coût d’investissement initial correspond au coût du recycleur fourni, posé et mis en service dans le cadre d’un projet de construction en lot séparé. À partir des niveaux de prix transmis par TROX, un coefficient de vente moyen de 1,5 est appliqué afin d’intégrer la fourniture hors panoplies hydrauliques, l’installation et à la mise en service. Le CAPEX intègre également les équipements de pilotage et d’alimentation : un variateur de fréquence externe pour R1 et un coffret de disjoncteurs pour l’alimentation des quatre moteurs EC de R2 depuis une alimentation électrique unique. Les niveaux de prix communiqués par le fabricant correspondent à des projets de taille moyenne, comprenant généralement 5 à 10 unités.

Le coût de l’électricité est évalué sur la base d’un prix initial de 0,15 €/kWh, considéré comme représentatif d’un site de production pharmaceutique, avec une évolution moyenne de 2 % par an, portant ce prix à environ 0,22 €/kWh au terme des 20 ans. La consommation issue de la simulation énergétique est utilisée pour cette valorisation.

Les coûts de maintenance se limitent au remplacement des filtres F7 et E10. Les autres opérations de maintenance du recycleur sont considérées comme identiques pour les quatre configurations. Les coûts retenus comprennent la fourniture et la main-d’œuvre, soit 130 € par cellule F7 de dimensions 592 × 592 × 292 mm et 289 € par cellule E10 (voir Tableau 1). Le nombre de cellules remplacées et leur fréquence de renouvellement dépendent de chaque configuration et de la stratégie de remplacement.

 

4. Résultats

          4.1 Performances énergétiques des quatre recycleurs

Puissance électrique selon l’état d’encrassement des filtres

La figure 8 présente les puissances électriques calculées pour les ventilateurs des quatre configurations, à trois états d’encrassement des filtres F7 et E10 : initial, après un an et après deux ans de fonctionnement.

 

Figure 8 – Puissance électrique calculée des ventilateurs des quatre configurations de recycleurs selon l’encrassement des filtres

 

Sur les trois états considérés (état initial, après 1 an, après 2 ans), le classement des configurations selon la puissance électrique reste inchangé : R1 présente la puissance la plus élevée, suivie de R2, R3 puis R4. Entre l’état initial et deux ans de fonctionnement, l’augmentation de puissance est respectivement de 4,19 kW pour R1, 3,54 kW pour R2, 2,70 kW pour R3 et 2,51 kW pour R4.

 

Consommation électrique cumulée

La figure 9 présente l’évolution de la consommation électrique cumulée des ventilateurs des quatre configurations sur 20 ans, exprimée en MWh.

 

Figure 9 – Evolution de la consommation électrique cumulée des ventilateurs

 

Les quatre configurations présentent une augmentation continue de leur consommation électrique cumulée. Les courbes se différencient dès les premières années, avec une consommation systématiquement plus élevée pour la configuration R1 et plus faible pour la configuration R4. Les configurations R2 et R3 présentent des niveaux intermédiaires.

L’encart présente les consommations cumulées à 5, 10 et 15 ans, avec un classement inchangé des configurations (R1 à R4). L’écart de consommation cumulée entre les configurations extrêmes R1 et R4 atteint 723 MWh à l’issue des 20 années d’exploitation. Par rapport à R1, les écarts sont de 370 MWh pour R2, 610 MWh pour R3 et 723 MWh pour R4.

En valeur relative, les consommations cumulées de R2, R3 et R4 sont respectivement inférieures de 16,2 %, 26,7 % et 31,7 % à celle de R1 à 20 ans.

 

Influence du régime de fonctionnement sur la consommation électrique

La figure 10 complète la comparaison énergétique précédente en intégrant un régime de ventilation adapté aux périodes de production. Deux conditions sont comparées : un fonctionnement continu à 25 vol/h et un fonctionnement alterné avec 25 vol/h pendant 2/3 du temps et 15 vol/h pendant 1/3, correspondant aux périodes hors production d’une organisation industrielle en 2×8.

 

Figure 10 – Consommations électriques cumulées des ventilateurs sur 20 ans selon le régime de fonctionnement

 

En régime nominal, l'écart entre les configurations extrêmes R1 et R4 atteint ainsi 718 MWh sur 20 ans.

L’intégration du régime réduit permet une économie de 479 MWh pour R1, 432 MWh pour R2, 380 MWh pour R3 et 339 MWh pour R4, soit respectivement 21 %, 22 %, 22 % et 21 % par rapport au fonctionnement nominal.

Dans les scénarios intégrant le régime réduit, le fonctionnement nominal représente 83,9 % de la consommation cumulée de R1, 85,1 % de R2, 85,1 % de R3 et 84,4 % de R4, contre respectivement 16,1 %, 14,9 %, 14,9 % et 15,6 % pour le fonctionnement réduit.

À 20 ans, la consommation cumulée varie de 1 612 à 2 330 MWh en régime nominal, contre 1 273 à 1 851 MWh avec le régime réduit. Le classement reste inchangé dans les deux cas, avec une consommation décroissante de R1 à R4.

Ces résultats reposent sur des simulations simplifiées, notamment une perte de charge moyenne des filtres entre leurs valeurs initiale et finale et une puissance électrique constante pour chaque point de fonctionnement. Ils constituent donc une estimation du potentiel énergétique associé à la réduction du régime de fonctionnement.

 

          4.2 Résultats économiques

La figure 11 présente l’évolution du coût global cumulé des quatre configurations de recycleurs d’air sur une durée d’exploitation de 20 ans. Le coût global considéré intègre le CAPEX initial, les coûts de maintenance associés au remplacement des filtres et les coûts liés à la consommation électrique des ventilateurs.

 

Figure 11 – Évolution du coût global cumulé des recycleurs sur une période de 20 ans

 

Les quatre configurations présentent une augmentation progressive du coût global cumulé au cours de la période d’exploitation. Les écarts entre les solutions restent relativement limités durant les premières années, puis se différencient progressivement au cours de l’exploitation.

L’encart met en évidence l’évolution des coûts au cours des trois premières années. Il montre notamment que R2 devient moins coûteux que R1 à partir de la première année, tandis que R3 devient moins coûteux que R2 à partir de la troisième année.

L’écart de coût cumulé entre les configurations extrêmes R1 et R4 atteint ainsi 104,7 k€ à 20 ans. Par rapport à R1, les écarts de coût sont de 62,0 k€ pour R2, 95,5 k€ pour R3 et 104,7 k€ pour R4, soit respectivement 12,8 %, 19,7 % et 21,6 % de réduction du coût global cumulé.

 

Répartition du coût global

La figure 12 présente la décomposition du coût global cumulé sur 20 ans selon les trois postes pris en compte dans l’étude : coût du recycleur, maintenance des filtres et électricité consommée par les ventilateurs.

 

Figure 12 - Répartition du coût global cumulé sur 20 ans selon les quatre configurations

 

Pour les quatre configurations, le coût de l’électricité liée à la ventilation constitue le principal poste de dépense sur la période étudiée.

Ainsi, bien que la ventilation demeure le poste majoritaire pour l'ensemble des configurations, sa contribution relative au coût global diminue progressivement de R1 à R4, passant de 85,8 % à 74,7 %. À l'inverse, les contributions relatives du coût de maintenance et du coût initial du recycleur augmentent dans cette même succession de configurations.

La décomposition obtenue met ainsi en évidence des structures de coûts différentes selon les configurations, avec une contribution relative croissante des postes d'investissement et de maintenance lorsque l'on passe de R1 à R4.

 

Influence du régime réduit sur le coût global

La figure 13 présente l’évolution du coût global cumulé des quatre configurations de recycleurs selon deux régimes : un fonctionnement nominal continu à 25 vol/h, et un fonctionnement à 25 vol/h pendant 2/3 du temps, complété par un régime réduit à 15 vol/h pendant 1/3 du temps en dehors des périodes de production.

 

Figure 13 – Evolution du coût global cumulé des recycleurs sur une période de 20 ans selon le régime de fonctionnement

 

Pour chaque configuration, l’intégration d’un débit réduit se traduit par une réduction du coût global cumulé sur la période d’exploitation, atteignant en moyenne 17,4 % à 20 ans par rapport au fonctionnement nominal continu.

 

5. Analyse et discussion

          5.1 Les choix de conception, un déterminant majeur de la performance énergétique

Pour les futurs projets, en neuf comme en revamping, le critère d’une vitesse de passage inférieure ou égale à 2,2 m/s au niveau de la batterie froide pourrait ainsi être intégré aux spécifications de sélection des recycleurs d’air, que ce soit par les industriels eux-mêmes ou par les ingénieurs des cabinets d’ingénierie spécialisés.

La perte de charge des filtres est liée à leur surface de passage et donc à la section disponible dans le tunnel du recycleur. À débit donné, une augmentation de la vitesse de passage augmente la sollicitation des cellules filtrantes et leurs pertes de charge. Les résultats de l’étude illustrent ce phénomène : les configurations R1 et R2, caractérisées par des vitesses d’air ≥ 2,5 m/s au niveau de la batterie froide, présentent des pertes de charge plus élevées, à la fois pour les composants internes du recycleur et les filtres.

La pression statique à fournir par le ventilateur, intégrant les pertes de charge internes du recycleur, les pertes de charge des filtres et la pression statique disponible pour les parties externes associées, diminue progressivement de 1 343 Pa pour R1 à 1 111 Pa pour R4. Entre R1 et R4, cette évolution représente une diminution de 232 Pa, soit environ 17,3 %. Cette réduction de la résistance aéraulique globale s’accompagne d’une diminution progressive de la puissance spécifique des ventilateurs : le SFPv passe de 1 800 W/(m³/s) pour R1 à 1 267 W/(m³/s) pour R4.

Dans cette étude, le choix des filtres constitue également un élément important de la performance énergétique globale. La performance énergétique d’un recycleur doit ainsi être appréhendée dans sa globalité : elle dépend non seulement de l’efficacité du moto-ventilateur, mais également de la capacité de l’ensemble des composants traversés par l’air à limiter les pertes de charge.

Le choix du moto-ventilateur constitue un second levier de performance. L’utilisation de ventilateurs centrifuges à architecture hybride à volutes multiples, associés à des moteurs à aimants permanents (PM), permet de bénéficier de rendements élevés : 73,5 % pour R3 et 75,8 % pour R4, contre 63,3 % pour R1 et 68,2 % pour R2. Cette amélioration se traduit par une diminution progressive du SFPv et contribue, avec une conception aéraulique limitant les pertes de charge, à réduire la puissance électrique nécessaire au fonctionnement des ventilateurs.

Les différentes configurations étudiées faisant évoluer simultanément plusieurs paramètres de conception, les résultats ne permettent toutefois pas d’isoler quantitativement la contribution de chacun de ces leviers à l’amélioration de la performance énergétique. Une telle analyse nécessiterait la réalisation d’études paramétriques complémentaires, permettant de faire varier indépendamment les différents paramètres de conception.

L’optimisation énergétique repose ainsi sur la combinaison de plusieurs leviers complémentaires : une conception aéraulique favorisant de faibles vitesses de passage, des composants internes et des étages de filtration présentant de faibles pertes de charge, ainsi qu’un moto-ventilateur à haut rendement. Cette approche permet de réduire la puissance électrique absorbée par les ventilateurs des recycleurs et, par conséquent, leur consommation sur la durée d’exploitation de l’installation.

Dans le cas étudié, cet enjeu est particulièrement significatif puisque les systèmes de traitement et de recyclage de l’air fonctionnent en continu, 24 h/24 et 365 jours par an, à l’exception des périodes d’arrêt technique planifiées pour les opérations de maintenance et de requalification. Sur une durée d’exploitation de 20 ans, les écarts de puissance électrique entre les différentes configurations se cumulent ainsi pour conduire à des différences significatives de consommation d’électricité.

La performance énergétique ne repose donc pas uniquement sur le choix d’un ventilateur performant, mais sur une conception globale du recycleur intégrant la réduction des pertes de charge et l’efficacité du système de ventilation. Définie dès la conception, elle doit ensuite être préservée en exploitation, notamment lors du remplacement des filtres.

 

          5.2 Le niveau de performance énergétique, un levier économique dès les premières années

Les résultats économiques intégrant le CAPEX et l’OPEX mettent en évidence l’intérêt de privilégier, dès la conception d’une nouvelle salle propre ou dans le cadre d’un revamping, des solutions de recycleurs d’air à haute, voire très haute performance énergétique. Le passage de R1 à R3 nécessite un surinvestissement initial de 7 386 € pour la fourniture, la pose et la mise en service du recycleur, avec un temps de retour sur investissement d’environ 1,7 an. À l’issue des 20 années d’exploitation, le gain de coût total de possession atteint 95 486 € par rapport à R1. De même, le passage de R2 à R3, pour un surinvestissement de 4 803 €, est amorti en environ trois ans et génère un gain de 33 508 € sur 20 ans.

 

R3 apparaît ainsi comme un compromis particulièrement favorable entre investissement initial et performance énergétique et coût global.

 

Le passage de R3 à R4, solution à très haute performance, conduit toutefois à un arbitrage différent. Bien que cette configuration présente le meilleur TCO à 20 ans, son surinvestissement initial de 3 231 €, associé à 8 235 € de coûts de maintenance supplémentaires sur la période, principalement liés au remplacement des filtres, réduit le bénéfice économique lié à sa meilleure performance énergétique et porte son temps de retour à environ 6,5 ans. Le gain supplémentaire par rapport à R3 reste ainsi limité à 9 260 € au terme des 20 ans.

Ces résultats montrent que l’impact économique d’un gain de performance supplémentaire dépend du niveau déjà atteint : le passage de R2 à R3 offre un gain significatif sur le TCO pour un temps de retour court, tandis que le gain supplémentaire de R3 à R4 reste plus limité au regard du surinvestissement et des coûts de maintenance.

 

L’enjeu n’est donc pas nécessairement de maximiser la performance énergétique à tout prix, mais d’identifier le niveau de performance offrant le meilleur équilibre entre économies d’énergie, investissement initial et coûts d’exploitation.

 

          5.3 Maîtrise le choix des filtres en phase d'exploitation

Chez certains industriels, le choix des filtres installés sur les CTA ou les recycleurs peut être confié au mainteneur dans le cadre du contrat de maintenance. Cette organisation peut conduire à retenir des produits répondant aux exigences de filtration requises, mais présentant des niveaux de performance énergétique différents de ceux retenus lors de la conception.

 

Or, comme le met en évidence la présente étude, les pertes de charge des filtres constituent une composante significative de la résistance aéraulique que les ventilateurs doivent vaincre. Le choix d’une gamme de filtration ne devrait donc pas être considéré uniquement au regard de son prix d’achat ou de sa conformité au niveau de filtration recherché, mais également de son impact sur la consommation électrique du recycleur dans la durée.

 

Afin de préserver les performances énergétiques retenues lors de la conception, il apparaît ainsi pertinent que l’exploitant conserve la maîtrise des caractéristiques des filtres installés. À défaut, les gammes de filtres autorisées devraient être définies précisément dans le contrat de maintenance. Cette logique rejoint celle appliquée aux filtres terminaux H14, pour lesquels l’industriel maîtrise directement le choix des produits installés. Au-delà de la seule classe de filtration, les critères de sélection pourraient notamment intégrer la perte de charge initiale et finale et la surface filtrante.

 

Le choix des filtres doit ainsi intégrer leur impact énergétique afin de préserver les gains obtenus lors de la conception et d’éviter qu’un remplacement fondé uniquement sur leur coût unitaire ne dégrade la performance du système.

 

          5.4 Mesurer et piloter la performance énergétique en exploitation

La performance énergétique d’un recycleur d’air ne se joue pas uniquement au moment de sa conception. Pour être durablement maintenue, elle doit également pouvoir être mesurée et suivie en exploitation.

Le suivi des pertes de charge des filtres constitue un premier indicateur pertinent, à mettre en regard de la puissance absorbée par les ventilateurs, qui augmente avec la résistance aéraulique pour maintenir les conditions de fonctionnement attendues.

 

Dans cette logique, il apparaît indispensable d’équiper les installations HVAC de compteurs électriques communicants permettant de mesurer les consommations des ventilateurs de chaque système de recyclage d’air ainsi que, lorsque cela est pertinent, celles des ventilateurs des CTA. La transmission de ces données vers la GTB permet leur historisation et leur exploitation dans le temps, mais également la mise en place d’indicateurs de performance énergétique adaptés à chaque équipement.

 

Le croisement des données de perte de charge et de puissance électrique constitue alors un outil de monitoring intéressant. Il permet de distinguer une évolution normale, liée par exemple à l’encrassement des filtres, d’une dérive nécessitant une analyse plus approfondie. Les données de la GTB permettent ainsi de comparer les performances dans le temps, de suivre les dérives par rapport aux conditions de référence et d’orienter les actions de maintenance.

 

Cette approche prend tout son sens dans le cadre d’une analyse en TCO sur 20 ans. Si le CAPEX est principalement déterminé au moment de la conception, la performance énergétique et les coûts d’exploitation évoluent ensuite année après année. La capacité à mesurer et à piloter la consommation réelle constitue ainsi un moyen de préserver, sur toute la durée de vie de l’installation, les gains énergétiques.

 

La performance énergétique ne doit donc pas être considérée comme une caractéristique figée du recycleur, mais comme une performance à maintenir et à piloter pendant toute sa durée d’exploitation.

 

5. Conclusion et perspectives

Le niveau de performance énergétique : un choix stratégique dès la conception

Le choix du niveau de performance énergétique du recycleur d’air doit être défini dès la conception comme un critère déterminant de sélection. Les résultats de l’étude montrent que les recycleurs d’air les plus performants ne sont pas nécessairement les plus coûteux sur la durée de vie de l’installation : malgré un investissement initial supérieur, ils permettent de réduire significativement les consommations électriques et le coût total de possession. Les recycleurs d’air à faible niveau de performance énergétique doivent ainsi être écartés dès lors que des solutions plus performantes permettent d’obtenir un meilleur bilan technico-économique.

 

L’arbitrage technico-économique

Dans les conditions de l’étude, le recycleur à haute performance (R3) apparaît comme un compromis robuste entre performance énergétique et coût total de possession. La très haute performance énergétique (R4) devient pertinente lorsque l’industriel privilégie une optimisation à long terme, notamment en cas d’augmentation du coût de l’énergie ou d’allongement de la durée d’exploitation.

 

Maintenir la performance dans le temps

La performance énergétique obtenue à la conception doit être préservée en exploitation, notamment par la maîtrise des caractéristiques des filtres, le suivi des pertes de charge et des consommations électriques des ventilateurs. L’instrumentation et l’exploitation des données via la GTB permettent de détecter les dérives, d’orienter la maintenance et de préserver durablement les gains énergétiques et économiques.

 

Et si le contexte énergétique change ?

Afin d’évaluer l’impact d’une évolution du contexte énergétique, une projection à dix ans est réalisée en considérant un prix de l’électricité de 186 €/MWh à cet horizon, puis une progression de 3 %/an. Cette hypothèse vise à représenter un scénario plus prudent d’évolution du coût de l’électricité, notamment dans un contexte d’électrification croissante des usages et d’augmentation de la demande électrique.

 

Dans ces conditions, le temps de retour du passage à la très haute performance énergétique est ramené à environ 4,5 ans. L’économie cumulée pour un Recycleur d’air de 22 500 m³/h atteint alors environ 16 500 € sur 20 ans et près de 25 000 € sur 25 ans. L’horizon de 25 ans met ainsi en évidence l’intérêt économique croissant des solutions les plus performantes, particulièrement pertinente dans l’industrie pharmaceutique, où les recycleurs d’air peuvent être exploités au-delà de 20 ans lorsque leur maintenance est correctement assurée.

 

L’enjeu n’est donc pas d’identifier une solution universellement optimale, mais de retenir un niveau de performance cohérent avec le contexte énergétique, les conditions économiques et l’horizon d’exploitation.

 

Le régime réduit hors production : un levier complémentaire

L’étude considère un fonctionnement nominal continu (24 h/24, 365 j/an). Pour les unités en 2×8, l’adaptation du régime HVAC hors production constitue un levier d’optimisation supplémentaire.

Les simulations complémentaires montrent le potentiel d’un régime à débit réduit, avec un taux de brassage passant de 25 à 15 vol/h pendant ces périodes. Cette réduction permet de diminuer de 64 % la puissance électrique des ventilateurs par rapport au fonctionnement nominal. À l’échelle annuelle, l’adaptation du régime permet ainsi de réduire les consommations électriques de plus de 20 %. Sa mise en œuvre doit toutefois être encadrée par le système qualité et une analyse de risques démontrant le maintien des conditions requises de la salle propre, ainsi qu’une adaptation des stratégies de fonctionnement et, le cas échéant, des protocoles de qualification et de requalification.

Au-delà du choix d’équipements performants, l’adaptation de leur régime aux besoins réels de la production constitue ainsi un levier complémentaire pour réduire les consommations tout en maintenant le niveau de maîtrise requis.

 

 

 

Remerciements

L’auteur remercie Denis DESPLACES et Hassen HAOUAM, de la société TROX, pour leur contribution à cette étude, notamment à travers leur expertise dans la sélection technique des recycleurs d’air ainsi que leurs échanges techniques portant sur la filtration particulaire.

L’auteur remercie également Antoine RUEL, de la société NOVO NORDISK, pour son apport à cette étude, notamment à travers le partage de son retour d’expérience (REX) concernant l’exploitation et la maintenance des installations de traitement d’air du site de Chartres.