Získávání helia 101 — Proč musí každý průmyslový uživatel helia nyní pochopit technologii jeho získávání

Shrnutí Helium je druhým nejrozšířenějším prvkem ve vesmíru, přesto je na Zemi nezastupitelné a stále vzácnější. Na rozdíl od zemního plynu nebo dusíku nelze helium vyrábět uměle – vzniká výhradně jako stopový vedlejší produkt těžby zemního plynu a po uvolnění do atmosféry navždy uniká do vesmíru. Pro průmyslové odvětví, které závisí na heliu pro testování těsnosti, kryogenní chlazení, ochranu při svařování, plynovou chromatografii a výrobu polovodičů, již není otázkou, zda se ceny helia zvýší, ale jak snížit jeho spotřebu na jednotku výkonu. Technologie pro získávání helia – proces zachycení, čištění a opakovaného použití helia, které by jinak bylo vypouštěno do ovzduší – se ukázala jako jediné ekonomicky životaschopné dlouhodobé řešení. Tento článek vysvětluje, jak technologie pro získávání helia funguje, proč je technicky náročná a proč si předvídaví průmysloví uživatelé tuto schopnost získávání helia budují ještě před tím, než by je dodávky donutily k tomu nutně.

Průmyslová infrastruktura pro manipulaci s plyny, používaná v systémech pro získávání helia — plynové skříně, panely pro regulaci tlaku a rozvody pro správu vysokoryzých plynů

Část 1: Proč nelze helium nahradit — a proč nelze helium vyrábět

Jedinečné fyzikální vlastnosti helia činí tento prvek nezbytným v překvapivě široké škále průmyslových odvětví. S bodem varu -269 °C je jedinou látkou schopnou chladit supravodivé magnety v zařízeních MRI a urychlovačích částic na provozní teploty. Jako nejmenší a nejlehčí molekula inertního plynu se helium používá jako nejcitlivější stopový plyn pro detekci úniků – což je klíčové pro ověření těsnosti palivových systémů automobilů, leteckých a kosmických komponent, procesních komor pro polovodiče a balení lékařských přístrojů. Při svařování zvyšuje vysoká tepelná vodivost helia hloubku průniku a rychlost posuvu při svařování hliníku, nerezové oceli a reaktivních slitin. V plynové chromatografii je jeho inertnost důvodem, proč se helium používá jako ideální nosný plyn pro analýzy.

Strategickou zranitelnost helia určuje jeho dodavatelský řetězec. Helium vzniká po dobu milionů let radioaktivním rozpadem uranu a thoriu v hlubinách zemské kůry. Hromadí se ve stejných geologických pastích jako zemní plyn, ze kterého je extrahováno v koncentracích obvykle mezi 0,1 % a 0,5 % – což znamená, že 99,5 % až 99,9 % toho, co vyvěrá z vrtu produkujícího helium, tvoří metan. Na celém světě je pouze několik zařízení pro zpracování zemního plynu vybaveno zařízeními pro extrakci a likvefakci helia. Pokud tyto provozy zažijí provozní poruchy, politickou nestabilitu nebo vyčerpání zdrojů, neexistuje žádný alternativní zdroj výroby, který by tento deficit kompenzoval.

Cliffside Field v Texasu, spravované americkým úřadem pro správu státního majetku (Bureau of Land Management), který je historickým základem celosvětového dodávky helia, se postupně uzavírá již několik let. Světovou dodávku helia nyní zajišťují rafinerie Ras Laffan v Kataru, komplex Amur v Rusku a malý počet zařízení v Alžírsku a Austrálii. Každý z těchto zdrojů čelí vlastním geopolitickým, logistickým a technickým omezením. Výsledkem je celosvětový trh s heliem, kde se tržní ceny mohou odchýlit o 200–400 % nad smluvní úrovně a kde se ustanovení o vyšší moci (force majeure) vyvolávají stále častěji.

Část 2: Jak funguje získávání helia – třístupňový proces

Získávání helia není jediné zařízení, ale integrovaný systém, který plní tři po sobě jdoucí funkce: zachycení, čištění a znovunatlačení.

Zachycování znamená sběr helia ve všech místech jeho použití ještě před tím, než je uvolněno do ovzduší. U stanice pro testování těsnosti to znamená směrování výfukového proudu z testovací komory naplněné heliem do sběrného potrubí místo jeho uvolnění do místnosti. V laboratoři plynové chromatografie spojené s hmotnostní spektrometrií (GC-MS) to znamená zachycení výtokového proudu nosného plynu. U buňky pro svařování laserem to znamená sběr ochranného heliového plynu, který by jinak unikl do okolí. Technickou výzvou na tomto stupni je těsnost proti úniku – systém pro zpětné získávání je tak efektivní, jak je jeho nejslabší spojení. Každé spojení, každý uzavírací kohout a každý spoj v celé sběrné síti musí zaručovat těsnost proti úniku helia na úrovni podmikronových rozměrů, protože i úniková rychlost 0,1 % v provozu 24 hodin denně po celý rok může znamenat ztrátu tisíců dolarů za rok.

Čištění je nejnáročnější fáze z hlediska technických požadavků. Získaný helium nikdy není čistý — obsahuje dusík a kyslík, které se dostaly do systému z okolního vzduchu, vlhkost z atmosférické vlhkosti, olejovou páru z mazání kompresorů (pokud jsou v předchozí části procesu používány kompresory s olejovým mazáním) a stopové množství uhlovodíků z kontaminace procesu. Požadovaná čistota závisí na konkrétním použití: helium pro polovodičový průmysl vyžaduje čistotu 99,999 % (tzv. stupeň 5N) s obsahem vlhkosti pod 10 částí na miliardu, zatímco průmyslové testování těsnosti může akceptovat čistotu 99,5 %. Typický řetězec čištění využívá tři postupně za sebou zapojené technologie: koalescenční filtry pro odstranění aerosolů a pevných částic, adsorpční jednotky s tlakovou cyklizací (PSA) nebo membránové moduly pro odstranění hlavního množství dusíku a kyslíku a vysokoteplotní getterové čističe pro finální úpravu na stopové úrovni.

Represurizace vrátí čistý helium do tlaku požadovaného následným zařízením – od 10 bar pro laboratorní rozvody až po 200 bar pro plnění a skladování vysokotlakých lahví. V této fázi je nezbytná komprese bez oleje, protože jakákoli kontaminace mazivem by zrušila účinek čištění a mohla poškodit analytické přístroje nebo technologické zařízení v následném procesu.

Část 3: Ekonomika získávání – kratší doba návratnosti, než si většina provozovatelů očekává

Obchodní případ pro získávání helia se za poslední tři roky výrazně posílil. Průmyslový uživatel střední velikosti, který ročně spotřebuje 1 000 kubických metrů helia pro testování netěsností, může za současných cen uzavřených smluv utratit ročně 30 000 až 50 000; v případě nutnosti nákupu na trhu za okamžitých dodávek v době omezení dodávek by náklady byly ještě vyšší. Správně navržený systém pro získávání helia, který zachytí 85–95 % tohoto helia, sníží roční potřebu nákupu doplňkového plynu na 50–150 kubických metrů. Při této účinnosti získávání se doba návratnosti investice do systému zkrátila z historických 3–5 let na 12–18 měsíců ve mnoha oblastech.

Ekonomika se stává ještě přesvědčivější, pokud zohledníme bezpečnost zásobování. Snížení přiděleného množství helia — kdy dodavatel plynu zkrátí dodávky o 30 %, 50 % nebo více na krátkou lhůtu — může vést k úplnému vypnutí celé výrobní linky. Náklady na ztracenou výrobu obvykle daleko převyšují náklady na samotné helium. Možnost jeho zpětného získání přeměňuje helium z omezeného spotřebního materiálu na opakovaně použitelný aktivum a chrání provoz před tržními kolísáními.

Část 4: Je váš provoz připraven na zpětné získávání helia?

Ne každý uživatel helia potřebuje již dnes plný systém jeho zpětného získávání. Rozhodnutí závisí na třech faktorech: ročním množství spotřebovaného helia, riziku nespolehlivosti zásobování ve vaší oblasti a požadavcích na čistotu konkrétních aplikací.

Provozy, které ročně spotřebují méně než 200 kubických metrů, a u nichž je zásobování stabilní smlouvou, mohou zjistit, že doba návratnosti investice do regenerace zůstává příliš dlouhá na to, aby bylo odůvodněné kapitálové vložení. Provozy, které ročně spotřebují 500–2 000+ kubických metrů, zejména ty v oblastech s nestabilním zásobováním nebo pro něž výrobní prostoj má důsledky v řádu šesti nebo sedmi číslic, by měly začít možnosti regenerace vyhodnocovat již nyní – ještě před tím, než je nutnost omezení dodávek donutí k rychlému rozhodnutí.

Doporučeným výchozím bodem je audit spotřeby helia: systematický průzkum každého místa použití helia, skutečných průtokových rychlostí, vzorů spotřeby v jednotlivých směnách a v průběhu ročních období a požadavků na čistotu helia pro jednotlivé aplikace. Tato data nejenom podporují interní podnikový případ, ale také poskytují technické specifikace, kterým musí jakýkoli systém regenerace vyhovovat.

Pro organizace, které jsou připraveny prozkoumat získávání helia, je spolupráce se specializovanými inženýry plynových systémů, kteří rozumí manipulaci s plyny vysoké čistoty – nikoli s obecnými dodavateli průmyslového zařízení – způsobem snižujícím riziko integrace. Sítě pro zachycení helia, řada čistících jednotek a etapa znovuzařazování do tlaku v systému pro získávání helia musí být všechny navrženy podle stejných norem těsnosti proti úniku a specifikací kompatibility materiálů. Společnosti s prokázanou odborností v oblasti dodávek plynů pro polovodičový průmysl, distribuce plynů v laboratořích a systémů průmyslových plynových rozvaděčů disponují nejvíce přímo převoditelnými schopnostmi pro projekty získávání helia.

Jak se helium přeměňuje z levného a hojně dostupného průmyslového plynu na strategický zdroj s omezeným dodávkovým potenciálem, stává se technologie jeho získávání z volitelné nutností. Organizace, které si tuto schopnost vybudují již nyní, získají jak výhodu z hlediska nákladů, tak záruku provozní kontinuity, kterou jejich konkurenti – kteří stále čekají, až se trh s heliem "vrátí k normálu" – nemají.

Kontakt pro média a profil společnosti Shenzhen Wofly Technology Co., Ltd. je 15 let ISO-certifikovaným výrobcem komponentů průmyslových plynových systémů s hlubokými odbornými znalostmi v oblasti regulace tlaku vysoce čistých plynů, přesného uzavírání, návrhu plynových skříní a integrace rozváděcích systémů. Portfolio produktů AFKLOK zahrnuje regulátory tlaku, ventily, stlačovací spojky, plynové skříně a rozváděcí systémy pro polovodičový, laboratorní, zdravotnický a nové energetické průmysl ve více než 30 zemích. Pro audit spotřeby helia, posouzení proveditelnosti jeho zpětného získávání nebo technické poradenství kontaktujte inženýrský tým pro plynové systémy AFKLOK.