La demande croissante d'hélium et de contraintes d'approvisionnement

L'hélium est l'un des éléments les plus polyvalents et irremplaçables de l'industrie moderne. Ses propriétés uniques – point d'ébullition extrêmement bas, inerte chimique et conductivité thermique élevée – le rendent indispensable pour des applications allant de l'imagerie médicale par IRM et la fabrication de semi-conducteurs à la propulsion aérospatiale et à la plongée en haute mer.

Historiquement, presque tous les hélium produits commercialement sont un sous-produit de la transformation du gaz naturel provenant d'une poignée de grands champs. Les États-Unis (en particulier le secteur Hugoton-Panhandle au Texas, en Oklahoma et au Kansas), le Qatar et l'Algérie représentent ensemble plus de 80% de l'approvisionnement mondial. Ces sources sont limitées géologiquement et sujettes à des risques géopolitiques, à des fermetures d'entretien et à une baisse de la productivité.

La combinaison de la demande croissante et de l'offre conventionnelle restreinte a suscité un vif intérêt pour le développement de sources d'hélium non conventionnelles [, notamment l'air atmosphérique, le schiste riche en hélium et les formations rocheuses serrées, et même les brins profonds provenant de systèmes géothermiques.

Comprendre les sources non conventionnelles d'hélium

Hélium atmosphérique

L'atmosphère terrestre contient environ 5,2 parties par million (ppm) d'hélium en volume, une concentration apparemment minuscule qui représente néanmoins une masse totale astronomiquement importante (environ 3,6 millions de tonnes métriques). L'extraction de l'hélium dans l'air est depuis longtemps considérée comme le «grail saint» de la production d'hélium, car la ressource est pratiquement inépuisable.

Aujourd'hui, les progrès de la distillation cryogène[ et de la séparation de la membrane[ ont ravivé l'intérêt. Plusieurs usines pilotes et des projets commerciaux visent maintenant à capturer l'hélium comme coproduit de grandes unités de séparation de l'air qui produisent de l'azote et de l'oxygène. Le principe clé est que le point d'ébullition faible de l'hélium (-268,9°C) signifie qu'il reste gazeux alors que liquéfy de l'oxygène et de l'azote, lui permettant d'être retiré et purifié.

Formations de schistes et de sous-sols d'hélium-Rich

Contrairement à l'hélium atmosphérique, qui est diffuse, certains bassins sédimentaires et roches de fond fracturées contiennent des concentrations d'hélium allant jusqu'à 5-10 % ou plus. Ces accumulations se produisent souvent dans des roches protérozoïques anciennes où l'uranium et la décomposition du thorium produisent de l'hélium qui migre dans des réservoirs poreux et devient piégé. L'exemple le plus frappant est la vallée du Rift tanzanien, où des concentrations d'hélium allant jusqu'à 10,5 % ont été rencontrées, ce qui en fait l'une des découvertes les plus connues.

L'extraction de l'hélium de ces milieux géologiques non conventionnels présente des défis semblables à ceux du gaz de schiste et du pétrole serré : faible perméabilité, réservoirs hétérogènes, nécessité de forage horizontal et de fracturation hydraulique. Contrairement à l'hélium conventionnel de gaz naturel, qui est souvent coproduit avec du méthane en concentrations de 0,3 à 2 %, le « gaz d'hélium » non conventionnel peut être pratiquement exempt de méthane, éliminant la nécessité de séparer cryogéniquement le méthane, mais introduisant de nouvelles exigences de séparation pour l'azote et l'hydrogène.

Principaux défis à relever pour extraire l'hélium de sources non conventionnelles

Faible concentration et intensité énergétique

La barrière la plus fondamentale est la dilution pure de l'hélium dans l'atmosphère et dans de nombreuses sources géologiques. Pour l'air, même avec la technologie cryogénique et membranaire de pointe, l'énergie nécessaire pour concentrer l'hélium de 5 ppm à 99,99 % de pureté est des ordres de grandeur plus élevés que celle nécessaire pour le traitement conventionnel du gaz naturel.

Pour l'hélium de schiste et de sous-sol, le défi est souvent le contraire : le flux gazeux peut contenir des concentrations élevées d'hélium mais à très faibles débits. Un puits qui ne produit que quelques milliers de pieds cubes par jour, même à 5% d'hélium, ne peut supporter une usine de purification dédiée que s'il est agrégé avec d'autres puits.

Besoins en infrastructures et en immobilisations

Pour l'extraction atmosphérique, le plus gros coût d'investissement est l'unité de séparation de l'air elle-même. Une seule usine capable de produire de 5 à 10 millions de pieds cubes d'hélium par an, soit une fraction modeste de la demande mondiale, nécessiterait une installation comparable à un grand complexe gazier industriel, coûtant des centaines de millions de dollars. Le rendement des investissements dépendrait des prix élevés de l'hélium et des accords de retrait à long terme.

De même, les projets d'hélium de schiste nécessitent des pipelines de collecte spécialisés, des modules de traitement du gaz (séparation de la membrane, adsorption par swing sous pression ou distillation cryogénique) et une compression pour le transport. Les endroits éloignés de nombreuses zones riches en hélium, loin des réseaux de pipelines existants, ajoutent des coûts logistiques.

Obstacles techniques en géologie non conventionnelle

De plus, les gaz associés – azote, hydrogène, dioxyde de carbone et parfois sulfure d'hydrogène – doivent être enlevés. L'azote est particulièrement difficile parce qu'il a un point d'ébullition proche de celui de l'hélium (77 K vs. 4 K) et nécessite une distillation cryogénique à haute pression. L'enlèvement de l'hydrogène peut être obtenu par oxydation catalytique ou perméation membranaire, mais ajoute de la complexité et des coûts. Dans certains domaines, l'hélium est également coproduit avec des brinures géothermiques à des températures supérieures à 100 °C. L'extraction de l'hélium à partir de fluides chauds et corrosifs nécessite des matériaux résistants à l'échelle et à l'érosion, et des techniques de séparation novatrices telles que le décapage sous vide ou les contacteurs membranaires.

De plus, la géologie des zones riches en hélium est souvent mal comprise par rapport aux bassins pétroliers conventionnels. Les outils d'exploration traditionnels, soit des levés sismiques, magnétotelluriques, ont été adaptés mais sont moins efficaces pour identifier les accumulations d'hélium, qui ne coïncident souvent pas directement avec les hydrocarbures.

Possibilités et progrès

L'hélium atmosphérique : abondance et durabilité

Malgré les défis de coût, l'extraction atmosphérique de l'hélium offre une sécurité des ressources non paralléléguée[. Elle est à l'abri des perturbations géopolitiques, de l'épuisement ou de l'incertitude géologique. Les percées récentes dans les modules de membranes polyimides[ et de cadres métal-organiques (MOFs)[ ont considérablement amélioré l'efficacité énergétique de la séparation de l'hélium de l'air.

La distillation cryogénique continue de s'améliorer grâce à l'adoption de modèles de cycles avancés, tels que le cycle Collins[ avec des turbines à expansion multiple, qui réduisent la puissance frigorifique jusqu'à 30%. Lorsqu'ils sont intégrés avec une grande unité de séparation de l'air qui fournit principalement de l'azote et de l'oxygène, le coût différentiel de capture de l'hélium devient beaucoup plus faible.

L'aspect de durabilité est également convaincant. La production conventionnelle d'hélium à partir du gaz naturel est intrinsèquement non renouvelable; une fois le champ de gaz épuisé, l'hélium est disparu. L'extraction atmosphérique, si elle est alimentée par de l'électricité à faible teneur en carbone (renouvelable ou nucléaire), pourrait fournir un véritable hélium durable avec une empreinte carbone minimale.

Shale Helium-Rich: Nouvelles ressources joue

La découverte de concentrations économiques d'hélium dans les bassins de rift tanzanien a galvanisé l'exploration mondiale. Hélium One, une société cotée en bourse, a déclaré des réserves prouvées dépassant 40 milliards de pieds cubes (Bcf) dans son projet Rukwa avec des concentrations in situ atteignant 10,5 %, ce qui équivaut à plusieurs années de demande américaine totale. D'autres pièces émergentes comprennent le bassin Paradox américain (où l'État de l'Utah a émis des baux spécifiques à l'hélium) et la province canadienne de la Saskatchewan, où les granits de sous-sols profonds abritent l'hélium généré par la décomposition de l'uranium sur des milliards d'années.

Des innovations technologiques dans le forage et l'achèvement [ seront essentielles pour libérer ces ressources. Des forages, des tubes en bobine et des fracturations hydrauliques à plusieurs étages ont été adaptés à partir de gaz de schiste pour manipuler les réservoirs d'hélium à basse pression et à faible perméabilité. Certains opérateurs expérimentent des fracturations d'eau douce[ en utilisant des fluides à base d'eau qui minimisent les dommages de formation.

L'innovation technologique abaisse les coûts

Une série de technologies émergentes promet de combler l'écart de coûts entre l'hélium conventionnel et non conventionnel. ]Les cadres métal-organiques (MOF) sont conçus avec des pores et des fonctionnalités chimiques qui favorisent fortement l'hélium sur de plus grandes molécules comme l'azote et le méthane.Une étude 2023 dans Nature Communications a démontré un MOF à base de cobalt capable de séparer l'hélium du méthane d'une sélectivité de plus de 1 000, remplaçant potentiellement la distillation cryogénique à forte intensité énergétique dans le traitement du gaz naturel.

Au-delà de la séparation, l'apprentissage automatique[ accélère l'exploration. Les études géologiques des zones riches en hélium ont été historiquement touchées ou manquées, mais les modèles d'IA formés aux données géochimiques, géophysiques et de télédétection peuvent maintenant identifier des cibles de forage à haute probabilité.

Considérations économiques et environnementales

Compétitivité des coûts et dynamique du marché

La viabilité économique de l'extraction non conventionnelle de l'hélium dépend de deux variables principales : le prix de l'hélium et le coût de l'extraction. Les prix à long terme de l'hélium ont augmenté, passant de 100 $ à 200 $ par Mcf au début des années 2000 à 300 $ à 600 $ par Mcf dans les contrats récents. Les prix de l'hélium spot pendant les pénuries ont dépassé 1 500 $ par Mcf. L'hélium shalé provenant de riches puits tanzaniens pourrait être produit à 200 $ à 350 $ par Mcf, ce qui le rend concurrentiel aujourd'hui.

Un flux d'hélium de 7 % qui contient également 10 % d'hydrogène, lorsqu'il est vendu comme combustible propre, pourrait réduire de 40 % ou plus le coût effectif de l'extraction de l'hélium. De même, l'azote et l'oxygène provenant des installations de séparation de l'air fournissent un flux de revenus de base qui subventionne la capture de l'hélium.

Impact environnemental et durabilité

L'extraction de l'hélium atmosphérique, si elle est alimentée par des combustibles fossiles, produirait des émissions de CO2 importantes par unité d'hélium en raison des besoins énergétiques importants. Une analyse du cycle de vie de 2022 du Laboratoire national des énergies renouvelables a estimé que l'empreinte carbone de l'hélium atmosphérique est de 5 à 8 fois plus élevée que celle de l'hélium conventionnel par Mf, en supposant que l'électricité moyenne du réseau électrique.

L'extraction de l'hélium par schiste porte ses propres charges environnementales. La fracturation hydraulique consomme de grands volumes d'eau (généralement de 2 à 5 millions de gallons par puits), présente des risques de contamination des eaux souterraines si elle n'est pas bien gérée et produit de l'eau de retour qui doit être traitée ou réinjectée. Dans les régions où l'eau est éparse, comme le bassin aride du Paradox, l'approvisionnement en eau est une contrainte majeure.

Incidences stratégiques sur la sécurité de l'approvisionnement

Le département de l'Intérieur des États-Unis a classé l'hélium comme un minéral critique[ en raison de son rôle essentiel dans la sécurité nationale et la fabrication de haute technologie.Les États-Unis sont le plus grand consommateur d'hélium au monde, mais importent environ 30 % de son approvisionnement.

La voie à suivre : recherche, investissement et politiques

Initiatives gouvernementales et privées

L'Office of Fossil Energy and Carbon Management du Département de l'énergie des États-Unis a co-financé des projets visant à extraire l'hélium du gaz de joint d'air et de charbon. L'Avancé Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) a lancé en 2023 un programme appelé «HelioPowder» pour développer des sorbants avancés pour la séparation de l'hélium à basse énergie.Sur le plan privé, des start-up comme Helix (Californie) construisent des unités d'hélium atmosphérique modulaires utilisant la distillation cryogénique intégrée à la production d'azote, ciblant les clients industriels du gaz.

Obstacles à la réglementation et au marché

Les nouveaux arrivants non conventionnels doivent obtenir des accords de retrait ou construire leurs propres réseaux de distribution, ce qui exige des capitaux considérables. De plus, les permis pour les nouvelles installations d'extraction peuvent prendre des années. Les installations d'hélium atmosphérique font face à des règlements sur la qualité de l'air parce qu'elles tirent dans de grands volumes d'air ambiant pouvant contenir des polluants; les installations doivent s'assurer que les émissions de composés organiques volatils ou de particules provenant du processus de compression sont limitées. Les puits d'hélium de schiste nécessitent des évaluations de l'impact environnemental en vertu de la Loi nationale sur la politique environnementale (É.-U.) ou l'équivalent dans d'autres pays.

Perspectives d'avenir

La Commission géologique des États-Unis prévoit que d'ici 2035, les sources non conventionnelles (y compris l'atmosphère et le schiste) pourraient fournir 10 à 20 % de la demande mondiale d'hélium, contre moins de 1 % aujourd'hui. La voie la plus probable : la production initiale de schiste et de sous-sols à forte concentration en Tanzanie, au Canada et aux États-Unis-Ouest, suivie par le déploiement progressif d'unités atmosphériques dans des régions où les coûts d'électricité sont élevés ou où les prix du carbone sont élevés.

Parallèlement, le mouvement de conservation de l'hélium peut prendre de l'ampleur. Le recyclage de l'hélium des systèmes d'IRM, de la fabrication de semi-conducteurs et des laboratoires de recherche récupère déjà environ 15% de l'hélium usé dans les pays développés.

Les défis que pose l'extraction de l'hélium à partir de sources non conventionnelles sont réels et significatifs : faibles concentrations, besoins énergétiques élevés, infrastructure immature et géologie incertaine. Pourtant, les possibilités sont tout aussi importantes : un réservoir atmosphérique presque infini, de nouvelles techniques géologiques jouent avec des qualités exceptionnelles et une série de progrès technologiques qui promettent de rendre l'extraction efficace et rentable.La combinaison de la demande du marché, de la nécessité stratégique et de l'innovation pousse l'extraction de l'hélium hors de sa zone de confort conventionnelle.