Gaz de pétrole

L'hélium: un sous-produit de l'industrie du gaz naturel



Les propriétés uniques de l'hélium en font le gaz parfait pour de nombreuses applications importantes


Dirigeable à l'hélium: La plupart des gens ont entendu parler de l'hélium utilisé comme gaz de levage pour les ballons météo, les dirigeables et les ballons de fête. Ce sont des utilisations très mineures de l'hélium. L'utilisation qui consomme plus d'hélium que toute autre est le refroidissement des aimants dans les appareils d'IRM (imagerie par résonance magnétique) dans les établissements médicaux. Photo dirigeable Goodyear par Derek Jensen.

Qu'est-ce que l'hélium?

L'hélium est un élément chimique et un gaz inerte incolore, inodore, insipide. Il a le plus petit rayon atomique de tout élément et le deuxième poids atomique le plus bas. Il est plus léger que l'air.

La plupart des gens savent que l'hélium est utilisé comme gaz de levage dans les dirigeables et les ballons de fête, mais ils ne peuvent pas nommer une autre façon dont il est utilisé. L'utilisation numéro un de l'hélium est comme gaz de refroidissement pour les appareils d'imagerie par résonance magnétique (IRM) utilisés dans les établissements médicaux. D'autres utilisations importantes de l'hélium comprennent: un gaz protecteur pour le soudage, un gaz inerte pour la fabrication en atmosphère contrôlée, un gaz fugitif utilisé pour la détection des fuites et un gaz à faible viscosité pour les mélanges respiratoires sous pression.

D'où vient l'hélium?

Très peu d'hélium est présent dans l'atmosphère terrestre. C'est un élément si léger que la gravité de la Terre ne peut le retenir. Lorsqu'il est présent à la surface de la Terre, l'hélium non confiné commence immédiatement à monter jusqu'à ce qu'il s'échappe de la planète. Voilà pourquoi les ballons de fête montent!

L'hélium produit commercialement est obtenu à partir du sol. Certains champs de gaz naturel contiennent suffisamment d'hélium mélangé au gaz pour pouvoir être extrait à un coût économique. Aux États-Unis, quelques gisements contiennent plus de 7% d'hélium en volume. Les entreprises qui forent du gaz naturel dans ces régions produisent du gaz naturel, le traitent et enlèvent l'hélium comme sous-produit.

Gisements de gaz naturel contenant de l'hélium: Modèle de dépôt pour les champs de gaz naturel contenant de l'hélium aux États-Unis. L'hélium est produit par la désintégration de l'uranium et du thorium dans les roches du socle granitoïde. L'hélium libéré est flottant et se déplace vers la surface dans une porosité associée aux failles du sous-sol. L'hélium se déplace ensuite vers le haut à travers une couverture sédimentaire poreuse jusqu'à ce qu'il soit piégé avec du gaz naturel sous des lits d'anhydrite ou de sel. Ce sont les seuls types de roches à persistance latérale capables de piéger et de contenir les minuscules atomes d'hélium flottants. Cette situation géologique ne se produit qu'à quelques endroits dans le monde et c'est pourquoi les riches accumulations d'hélium sont rares.

Connexes: une nouvelle utilisation de l'hélium - disques durs

Pourquoi l'hélium se trouve-t-il dans certains gaz naturels?

On pense que la majeure partie de l'hélium extrait du gaz naturel résulte de la désintégration radioactive de l'uranium et du thorium dans les roches granitoïdes de la croûte continentale de la Terre. Gaz très léger, il est flottant et cherche à remonter dès sa formation. Les accumulations d'hélium les plus riches se trouvent là où trois conditions existent: 1) les roches du socle granitoïde sont riches en uranium et en thorium; 2) les roches du socle sont fracturées et fissurées pour fournir des voies d'évacuation à l'hélium; et 3) les roches sédimentaires poreuses au-dessus des failles du socle sont coiffées d'un sceau imperméable d'halite ou d'anhydrite. 1 Lorsque ces trois conditions sont remplies, l'hélium peut s'accumuler dans la couche de roche sédimentaire poreuse.

L'hélium a le plus petit rayon atomique de tout élément, environ 0,2 nanomètre. Ainsi, lorsqu'il se forme et commence à se déplacer vers le haut, il peut passer à travers de très petits espaces poreux à l'intérieur des roches. L'halite et l'anhydrite sont les seules roches sédimentaires qui peuvent bloquer la migration vers le haut des atomes d'hélium. Les schistes dont les pores sont bouchés par des matières organiques abondantes (kérogène) servent parfois de barrière moins efficace.

Gisements de gaz naturel contenant de l'hélium: Carte montrant les champs de gaz naturel qui constituent d'importantes sources d'hélium aux États-Unis. Le gaz naturel produit à partir de ces champs contient entre 0,3% et plus de 7% d'hélium. L'hélium est retiré du gaz pour la vente commerciale. Image à l'aide des données de localisation de la United States Geological Survey. 2

Où est le gaz naturel riche en hélium?

La plupart du gaz naturel non traité contient au moins des traces d'hélium. Très peu de gisements de gaz naturel en contiennent suffisamment pour justifier un processus de récupération de l'hélium. Une source de gaz naturel doit contenir au moins 0,3% d'hélium pour être considérée comme une source potentielle d'hélium.

Ressources mondiales d'hélium
PaysMilliards de mètres cubes
États Unis20.6
Qatar10.1
Algérie8.2
Russie6.8
Canada2.0
Chine1.1
Les valeurs ci-dessus sont des ressources d'hélium estimées à partir des résumés de produits minéraux de l'USGS. 3

En 2010, tout le gaz naturel traité pour l'hélium aux États-Unis provenait de champs du Colorado, du Kansas, de l'Oklahoma, du Texas, de l'Utah et du Wyoming, comme le montre la carte ci-jointe. Le champ Hugoton en Oklahoma, Kansas et Texas; le champ Panoma au Kansas; le champ Keyes en Oklahoma; les champs Panhandle West et Cliffside au Texas et le champ Riley Ridge au Wyoming représentent l'essentiel de la production d'hélium aux États-Unis. 2

En 2010, les États-Unis ont produit 128 millions de mètres cubes d'hélium. De ce montant, 53 millions de mètres cubes d'hélium ont été extraits du gaz naturel et 75 millions de mètres cubes ont été retirés de la Réserve nationale d'hélium. Les autres pays avec des quantités de production connues étaient: l'Algérie (18 millions de mètres cubes), le Qatar (13 millions de mètres cubes), la Russie (6 millions de mètres cubes) et la Pologne (3 millions de mètres cubes). Le Canada et la Chine ont produit de petites quantités d'hélium non déclarées. 3

L'hélium dans les appareils d'IRM: L'utilisation numéro un de l'hélium est le refroidissement des aimants des appareils d'IRM (imagerie par résonance magnétique) utilisés pour diagnostiquer les maladies et les blessures dans les établissements médicaux.

Une nouvelle utilisation de l'hélium: Le premier disque dur scellé à l'hélium a été produit en 2013. L'hélium permet au lecteur d'utiliser moins d'énergie, de produire moins de chaleur, de faire moins de bruit, de prendre moins d'espace, de stocker plus de données et de produire moins de vibrations qu'un disque dur standard. Apprendre encore plus. Photo

Utilisations de l'hélium

L'hélium possède un certain nombre de propriétés qui le rendent exceptionnellement bien adapté à certaines utilisations. Dans certaines de ces utilisations, l'hélium est le meilleur gaz possible à utiliser, et dans quelques-uns il n'y a pas de substitut adéquat à l'hélium. Plusieurs utilisations de l'hélium ainsi que les propriétés qui le rendent approprié pour l'utilisation sont décrites ci-dessous.

Imagerie par résonance magnétique

L'utilisation numéro un de l'hélium est dans les machines d'imagerie par résonance magnétique utilisées dans les établissements médicaux pour évaluer les blessures et diagnostiquer les maladies. Ces machines utilisent un champ magnétique produit par un aimant supraconducteur. Ces aimants génèrent une énorme quantité de chaleur. L'hélium liquide est la substance de refroidissement de choix pour réguler la température de ces aimants. Parce que l'hélium a la deuxième chaleur spécifique la plus basse de tout gaz et le point d'ébullition / fusion le plus bas de tout élément, il n'y a pas de substitut prévu à l'hélium dans cette utilisation très importante.

Levage de gaz

L'hélium a le deuxième poids atomique le plus bas de tous les éléments. Seul l'hydrogène a un poids atomique inférieur. En tant que gaz plus léger que l'air, l'hélium a été utilisé comme «gaz de levage» pour les dirigeables et les ballons. Les dirigeables, les dirigeables, les zeppelins, les ballons anti-aériens, les ballons météo et autres engins plus légers que l'air ont tous utilisé l'hélium comme gaz de levage. Il est beaucoup plus sûr que l'hydrogène car il n'est pas inflammable. C'était la catégorie la plus importante d'utilisation d'hélium jusqu'à la fin de la Seconde Guerre mondiale. Des quantités beaucoup plus faibles d'hélium sont maintenant utilisées comme gaz de levage.

Purge du gaz: L'hélium est utilisé par la NASA et le ministère de la Défense pour purger l'oxygène liquide et l'hydrogène liquide des réservoirs de carburant et des systèmes d'alimentation en carburant des moteurs-fusées. L'hélium est inerte et a une température de congélation si basse qu'elle reste un gaz pendant le processus de purge. Un flux d'hélium dans ces systèmes a même été utilisé en cas d'urgence pour éteindre les incendies. Image de la NASA.

Mélanges respiratoires à l'hélium: L'hélium est utilisé pour préparer des mélanges de gaz respiratoires pour la plongée en eau profonde. L'hélium est inerte et a une faible viscosité sous pression qui permet une respiration plus facile. Image de la NOAA.

Purge du gaz

L'hélium a le point de fusion et d'ébullition le plus bas de tous les gaz. Il fond et bout à des températures proches du zéro absolu. Parce qu'il reste un gaz à très basse température, il peut être utilisé comme gaz de purge pour les réservoirs de carburant et les systèmes d'alimentation en carburant remplis de liquides très froids tels que l'hydrogène liquide et l'oxygène liquide. Parce qu'il est inerte et a une basse température de congélation, il peut déplacer ces carburants en toute sécurité sans geler. De grandes quantités d'hélium sont utilisées par la NASA et le ministère de la Défense pour purger les systèmes de propulsion des fusées.

Fabrication sous atmosphère contrôlée

L'hélium est un gaz inerte. Le seul gaz avec une réactivité plus faible est le néon. Cette faible réactivité fait de l'hélium un gaz précieux à utiliser dans les processus de fabrication et de réparation lorsqu'une atmosphère inerte est requise. L'hélium a également la deuxième densité la plus basse de tous les gaz ainsi qu'une très haute conductivité thermique. Ces propriétés de l'hélium gazeux en font l'atmosphère de choix pour de nombreux procédés métallurgiques, la croissance de cristaux parfaits dans les vapeurs chimiques, la fabrication de fibres optiques et d'autres utilisations.

Detection des fuites

L'hélium a une viscosité très faible, un coefficient de diffusion élevé et le plus petit atome de tout élément. Ces caractéristiques rendent l'hélium très difficile à contenir. Si un système présente une fuite, l'hélium s'échappera. L'hélium gazeux est donc utilisé pour tester les systèmes à vide poussé, les systèmes de carburant et d'autres contenants pour détecter les fuites.

Mélanges respiratoires

L'hélium et d'autres gaz inertes sont utilisés pour préparer des mélanges respiratoires pour la plongée en eau profonde et les traitements médicaux. L'hélium est utilisé ici car il est inerte, a une viscosité très faible et est plus facile à respirer sous pression que tout autre gaz.

Gaz de soudage

L'hélium est utilisé comme atmosphère protectrice lors du soudage. Une atmosphère de gaz inerte protège les métaux chauds de l'oxydation et d'autres réactions qui peuvent se produire rapidement à des températures élevées.

Utilisations de l'hélium: Quantités relatives d'hélium consommées par diverses utilisations aux États-Unis en 2011. Graphique utilisant les données de l'USGS.

L'hélium: une ressource non renouvelable

L'hélium est un gaz qui ne se trouve que là où une coïncidence de situations improbables se produit. Bien qu'il soit continuellement produit par la désintégration des minéraux radioactifs dans la croûte terrestre, son taux de production et d'accumulation naturelles est si lent qu'il doit être considéré comme une ressource non renouvelable.

Informations sur l'hélium
1 L'hélium au Nouveau-Mexique: Ronald F. Broadhead, Géologie du Nouveau-Mexique, Bureau de géologie et des ressources minérales du Nouveau-Mexique, Institut des mines et technologies du Nouveau-Mexique, novembre 2005.
2 Hélium 2010: Joseph B. Peterson et Peter J. Madrid, Annuaire des minéraux, United States Geological Survey, janvier 2012.
3 Hélium 2012: Peter J. Madrid, Résumés des produits minéraux, United States Geological Survey, janvier 2012.
4 Vendre la réserve d'hélium de la nation: Committee on Understanding the Impact of Selling the Helium Reserve, National Research Council, The National Academies Press, 2010.
5 Témoignage sur le Helium Stewardship Act de 2013: Témoignage devant le Sous-comité de la Chambre des représentants sur l'énergie et les ressources minérales, United States Government Accountability Office, GAO-15-734T, 8 juillet 2015.
6 Les prix de l'hélium en hausse rapide peuvent faire éclater les ventes de ballons: Rachel Rodgers et Sharon Barricklow, un article de la Decatur Herald-Review, février 2015.

Surabondance d'hélium et pénurie d'hélium

En 1925, les États-Unis ont créé la Réserve nationale d'hélium pour servir d'approvisionnement stratégique en hélium à utiliser dans les dirigeables et à d'autres fins de défense. À cette époque, le pays produisait beaucoup plus d'hélium qu'il n'en était consommé. Après la Seconde Guerre mondiale, la quantité d'hélium utilisée comme gaz de levage a diminué, mais la demande d'hélium comme gaz de purge lors du ravitaillement des moteurs-fusées et comme liquide de refroidissement dans les installations d'armes nucléaires a augmenté. Pourtant, plus d'hélium était produit que consommé.

En 1995, le Congrès a décidé que la réserve nationale d'hélium n'était pas essentielle et a lancé un programme de vente de l'hélium dans le cadre de la loi de 1996 sur la privatisation de l'hélium. prix du marché. Jusqu'à la moitié de la demande mondiale d'hélium était satisfaite grâce aux ventes de la Réserve nationale d'hélium. Certaines années, plus d'hélium a été exporté des États-Unis vers d'autres pays que consommé dans le pays. 2 Ceux qui ont acheté de l'hélium au gouvernement ont obtenu une offre fantastique, et ceux qui ont acheté de l'hélium sur le marché libre ont payé un prix beaucoup plus élevé.

Le dumping du stock de la réserve nationale d'hélium sur le marché a fait baisser le prix de l'hélium à tel point qu'il était utilisé comme substitut bon marché de l'argon et d'autres gaz dont l'offre est beaucoup moins limitée.

Parce que la production commerciale d'hélium n'a pas été récompensée ou fortement utilisée, le marché était sous-approvisionné lorsque les ventes de National Helium Reserve ont été remplacées par un système d'enchères en 2014. Lors de la première enchère, deux soumissionnaires ont acheté la totalité de l'allocation annuelle de 93 millions de pieds cubes d'hélium à plus que le double du prix du marché de l'année précédente. Après la vente aux enchères, un autre milliard de pieds cubes a été vendu aux deux mêmes soumissionnaires. 5

Depuis la première vente aux enchères, le prix de l'hélium a continué d'augmenter car la production de nouvel hélium est inférieure à la consommation. L'augmentation des prix a déclenché des investissements dans de nouvelles usines de traitement de l'hélium. Cependant, l'hélium ne peut être produit qu'à partir de gisements de gaz naturel avec du sel ou de l'anhydrate comme piège. Ceux-ci ne se produisent que dans quelques parties du monde.

En vertu de la loi actuelle, la réserve nationale d'hélium sera épuisée d'ici 2021. Espérons que l'investissement croissant dans les usines de récupération d'hélium sera suffisant pour répondre aux besoins des consommateurs d'hélium lorsque cette importante source d'hélium aura disparu.