Table of Contents

Растущий спрос на гелий и ограничения поставок

Гелий является одним из самых универсальных и незаменимых элементов в современной промышленности. Его уникальные свойства - чрезвычайно низкая температура кипения, химическая инертность и высокая теплопроводность - делают его незаменимым для применения в диапазоне от медицинской МРТ-визуализации и производства полупроводников до аэрокосмического двигателя и глубоководного дайвинга. Глобальный рынок гелия, оцениваемый в более чем 8 миллиардов долларов в год, неуклонно растет на 5-8% в год, что обусловлено растущим спросом в здравоохранении, электронике и волоконной оптике. Однако сторона предложения становится все более хрупкой.

Исторически почти весь коммерчески производимый гелий поступает в качестве побочного продукта переработки природного газа с нескольких крупных месторождений. На долю Соединенных Штатов (в частности, месторождения Хьюготон-Панхандл в Техасе, Оклахоме и Канзасе), Катара и Алжира вместе приходится более 80% мировых поставок. Эти источники геологически конечны и подвержены геополитическим рискам, остановкам технического обслуживания и снижению производительности скважин. Федеральный резерв гелия США, когда-то крупнейший в мире, постепенно приватизируется, а его добыча снижается. Недавний дефицит, особенно в 2012-2013 и 2019-2021 годах, подчеркнул уязвимость критически важных отраслей к перебоям в поставках.

Сочетание растущего спроса и ограниченного традиционного предложения вызвало интенсивный интерес к разработке нетрадиционных источников гелия. К ним относятся атмосферный воздух, богатые гелием сланцевые и узкие горные породы и даже глубокие рассолы из геотермальных систем. Каждый представляет собой отдельный набор технических, экономических и логистических проблем, но также открывает возможности для более устойчивой и диверсифицированной цепочки поставок гелия.

Понимание нетрадиционных источников гелия

Атмосферный гелий

Атмосфера Земли содержит около 5,2 частей на миллион (ppm) гелия по объему - казалось бы, мизерная концентрация, которая, тем не менее, представляет собой астрономически большую общую массу (примерно 3,6 миллиона метрических тонн). Извлечение гелия из воздуха долгое время считалось «святым Граалем» производства гелия, потому что ресурс практически неисчерпаем. Ранние попытки в течение 1920-х и 1930-х годов, обусловленные потребностью ВМС США в более легких, чем воздух, использовали крупномасштабные криогенные единицы разделения воздуха, но были оставлены как слишком энергоемкие и дорогостоящие, как только гелий природного газа стал обильным.

Сегодня успехи в криогенной дистилляции и мембранном разделении вновь вызвали интерес. Несколько пилотных заводов и коммерческих проектов теперь стремятся захватить гелий в качестве совместного продукта крупных воздухоразделительных установок, которые производят азот и кислород. Ключевой принцип заключается в том, что низкая температура кипения гелия (−268,9 °C) означает, что он остается газообразным, в то время как кислород и азот сжижают, позволяя его сливать и очищать. Однако огромные объемы воздуха, которые должны быть обработаны — около 200 000 кубических метров воздуха для извлечения одного кубического метра гелия — по-прежнему требуют огромной энергии и капитальных затрат.

Сланцевые и подвальные образования с высоким содержанием гелия

В отличие от атмосферного гелия, который является диффузным, некоторые осадочные бассейны и трещины подвальных пород содержат концентрации гелия до 5-10% или даже больше. Эти накопления часто происходят в древних протерозойских породах, где распад урана и тория производит гелий, который мигрирует в пористые резервуары и попадает в ловушку. Наиболее ярким примером является Танзанийская рифтовая долина, где концентрации гелия до 10,5% были обнаружены, что делает его одной из самых богатых известных находок. В Северной Америке, бассейн Парадокса (Юта и Колорадо), Канадский щит (Саскачеван), и части Пермского бассейна продемонстрировали повышенные уровни гелия в связи с азотом, водородом и CO2.

Извлечение гелия из этих нетрадиционных геологических условий представляет проблемы, аналогичные тем, которые возникают при добыче сланцевого газа и плотной нефти: низкая проницаемость, гетерогенные резервуары и необходимость горизонтального бурения и гидравлического разрыва пласта.В отличие от обычного гелия природного газа, который часто совместно производится с метаном в концентрациях 0,3-2%, нетрадиционный «гелиевый газ» может быть практически без метана, устраняя необходимость криогенного разделения метана, но вводя новые требования к разделению азота и водорода.

Основные проблемы в извлечении гелия из нетрадиционных источников

Низкая концентрация и интенсивность энергии

Наиболее фундаментальным барьером является чистое разведение гелия в атмосферных и многих геологических источниках. Для воздуха, даже с использованием современных криогенных и мембранных технологий, энергия, необходимая для концентрации гелия от 5 ppm до 99,99% чистоты, на порядок выше, чем для обычной переработки природного газа. Текущие оценки предполагают, что добыча атмосферного гелия стоит не менее $800-1200 за тысячу кубических футов (Mcf), по сравнению с $200-400 за Mcf для обычных источников. В то время как спотовые цены на гелий иногда поднимались выше $600 / Mcf, атмосферное производство остается неэкономичным в большинстве рыночных условий.

Для сланцевого и подвального гелия проблема часто противоположна: газовый поток может содержать высокие концентрации гелия, но при очень низких скоростях потока. Яма, которая производит всего несколько тысяч кубических футов в день, даже при 5% гелии, не может поддерживать специальную очистную установку, если она не агрегирована с другими скважинами. Кроме того, резервуары часто глубокие (> 3000 метров), горячие и отмечены сложными сетями разрушения, что делает бурение и завершение дорогим и неопределенным.

Инфраструктура и требования к капиталу

Практически вся существующая инфраструктура по переработке гелия — трубопроводы, криогенные установки, хранилища и контейнерные заправочные станции ISO — была спроектирована вокруг обычных месторождений природного газа, которые производят большие объемы метана вместе с гелием. Нетрадиционные источники требуют нового специализированного оборудования. Для атмосферной добычи самой большой капитальной стоимостью является сам блок разделения воздуха. Одной установке, способной производить 5-10 миллионов кубических футов гелия в год — скромная доля глобального спроса — потребуется объект, сопоставимый с крупным промышленным газовым комплексом, стоимостью в сотни миллионов долларов. Отдача от инвестиций будет зависеть от высоких цен на гелий и долгосрочных соглашений об отводе.

Аналогичным образом, проекты по добыче сланцевого гелия требуют выделенных трубопроводов для сбора, модулей очистки газа (разделение мембран, адсорбция под давлением или криогенная дистилляция) и сжатия для транспорта. Удалённые места многих богатых гелием зон — вдали от существующих трубопроводных сетей — добавляют логистические затраты. Например, открытия Танзании находятся в Рифтовой долине, где доступ к дорогам, доступность воды и квалифицированная рабочая сила ограничены. Развитие инфраструктуры с нуля требует терпеливого капитала и готовности принять многолетние сроки перед первым производством.

Технические препятствия в нетрадиционной геологии

Сланцевые и подвальные резервуары представляют собой уникальные технические препятствия. Гелий часто попадает в наноразмерные поры или сети разрывов, которые плохо связаны. Хорошо, производительность быстро снижается, если стимуляция не оптимизирована. Кроме того, связанные газы - азот, водород, углекислый газ и иногда сероводород - должны быть удалены. Азот особенно сложен, потому что он имеет точку кипения близко к гелию (77 K против 4 K) и требует криогенной дистилляции высокого давления. Удаление водорода может быть достигнуто с каталитическим окислением или мембранной пропиткой, но добавляет сложность и стоимость. В некоторых областях гелий также совместно производится с геотермальными рассолами при температурах выше 100°C. Извлечение гелия из горячих, коррозионных жидкостей требует материалов, устойчивых к масштабированию и эрозии, и инновационные методы разделения, такие как вакуумная стрипация или мембранные контакторы.

Кроме того, геология богатых гелием районов часто плохо изучена по сравнению с обычными нефтяными бассейнами. Традиционные инструменты разведки - сейсмические исследования, магнитотеллурица - были адаптированы, но менее эффективны при точном определении накоплений гелия, которые часто не совпадают непосредственно с углеводородами. Результатом является более высокий риск разведки и более высокая вероятность сухих отверстий.

Возможности и достижения

Атмосферный гелий: изобилие и устойчивость

Несмотря на проблемы с затратами, добыча гелия в атмосфере обеспечивает беспрецедентную безопасность ресурсов . Он невосприимчив к геополитическим сбоям, истощению или геологической неопределенности. Недавние прорывы в мембранных модулях полиимида и металлоорганических структурах (MOF) существенно повысили энергоэффективность отделения гелия от воздуха. MOF, состоящие из кобальта, меди или цинка, могут избирательно адсорбировать азот и кислород, позволяя гелию проходить, потенциально снижая соотношение давления, необходимое на стадиях сжатия. Исследователи из Техасского университета в Остине сообщили о лабораторных модулях, достигающих чистоты гелия 95% от воздуха с одним проходом, хотя масштабирование остается проблемой.

Криогенная дистилляция продолжает улучшаться благодаря внедрению передовых конструкций цикла, таких как цикл коллинза с несколькими турбинами расширения, которые уменьшают мощность охлаждения до 30%. При интеграции с большим блоком разделения воздуха, который в основном поставляет азот и кислород, дополнительные затраты на улавливание гелия становятся намного меньше. Несколько промышленных газовых компаний, включая Air Liquide и Linde, пилотируют проекты, которые извлекают как гелий, так и неон из воздуха в качестве высокоценных побочных продуктов.

Угол устойчивости также неотразим. Традиционное производство гелия из природного газа по своей сути не является возобновляемым; как только газовое месторождение истощается, гелий исчезает. Добыча в атмосфере, если она питается от низкоуглеродистой электроэнергии (возобновляемой или ядерной), может обеспечить действительно устойчивое предложение гелия с минимальным углеродным следом. По мере ужесточения цен на углерод и экологических норм это преимущество может склонить экономические масштабы.

Сланец с высоким содержанием гелия: новые игры

Открытие экономических концентраций гелия в танзанийских рифтовых бассейнах оживило глобальную разведку. Helium One , публично торгуемая компания, сообщила о доказанных запасах, превышающих 40 миллиардов кубических футов (Bcf) в своем проекте Rukwa с концентрациями in-situ до 10,5%. Это эквивалентно нескольким годам общего спроса в США. Другие новые игры включают бассейн Парадокса США (где штат Юта выдал лизинг на гелий), и канадскую провинцию Саскачеван, где глубокие цокольные граниты содержат гелий, образующийся в результате распада урана в течение миллиардов лет. Наличие водорода (H2) в качестве сопродукта добавляет еще один поток доходов; водород может быть продан в качестве топлива или использован для производства аммиака, помогая компенсировать затраты на добычу.

Технологические инновации в бурении и завершении будут иметь решающее значение для разблокировки этих ресурсов. Несбалансированное бурение, трубка катушки и многоступенчатый гидроразрыв пласта были адаптированы из сланцевого газа для обработки низкопроницаемых гелиевых резервуаров. Некоторые операторы экспериментируют с гидроразрывом пласта с использованием жидкостей на водной основе, которые минимизируют повреждение образования. Между тем, технология адсорбции под давлением (PSA) с использованием цеолитных сорбентов может концентрировать гелий от 0,5% до 90% на одной стадии, предлагая модульную, более дешевую альтернативу криогенике для удаленных полей.

Технологические инновации снижают затраты

Комплект новых технологий обещает преодолеть разрыв в стоимости между обычным и нетрадиционным гелием. Металлоорганические структуры (MOF) разрабатываются с размерами пор и химическими функциями, которые сильно благоприятствуют гелию по сравнению с более крупными молекулами, такими как азот и метан. Исследование 2023 года в Nature Communications продемонстрировало MOF на основе кобальта, способный отделять гелий от метана с избирательностью более 1000, потенциально заменяя энергоемкую криогенную дистилляцию при обработке природного газа. Для атмосферной экстракции мембранные каскады с высокопроницаемыми полыми волокнами развертываются в небольших децентрализованных блоках, которые могут быть размещены на промышленных объектах или в больницах, которые нуждаются в гелии для систем МРТ. Эти блоки могут уменьшить зависимость от централизованных установок и дальних перевозок.

Помимо разделения, машинное обучение ускоряет разведку. Геологические исследования богатых гелием районов исторически были хит-ор-мисс, но модели ИИ, обученные данным геохимического, геофизического и дистанционного зондирования, теперь могут идентифицировать высоковероятные цели бурения. Например, алгоритмы были использованы для картирования аномалий гелия, связанных с глубоко укоренившимися разломами в рифтовой долине, что снижает затраты на разведку на 30-50%.

Экономические и экологические соображения

Конкурентоспособность затрат и динамика рынка

Экономическая жизнеспособность нетрадиционной добычи гелия зависит от двух основных переменных: цены на гелий и стоимость добычи. Долгосрочные цены на гелий в начале 2000-х годов выросли с примерно $100-$200 за Макф до $300-$600 за Макф в последних контрактах. Спотовые цены во время дефицита превысили $1500 за Макф. Сланцевый гелий из богатых танзанийских скважин может быть произведен по цене $200-350 за Макф, что делает его конкурентоспособным сегодня. Атмосферный гелий, вероятно, $800-1200 за Макф, требует устойчивых высоких цен или премии за «зеленый» гелий, чтобы сломаться. Некоторые аналитики прогнозируют, что по мере снижения традиционных запасов и роста спроса (особенно из полупроводникового и аккумуляторного производства), цены останутся достаточно высокими, чтобы поддержать оба нетрадиционных варианта.

Потоки гелия в 7%, которые также содержат 10% водорода, при продаже в качестве чистого топлива, могут снизить эффективную стоимость добычи гелия на 40% и более. Аналогичным образом азот и кислород из воздухоразделительных установок обеспечивают базовый поток дохода, который субсидирует улавливание гелия.

Воздействие на окружающую среду и устойчивость

Экологические соображения становятся все более важными в принятии решений. Добыча гелия в атмосфере, если она будет производиться на основе ископаемых видов топлива, будет генерировать значительные выбросы CO2 на единицу гелия из-за больших потребностей в энергии. Анализ жизненного цикла 2022 года из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии показал, что углеродный след атмосферного гелия в 5-8 раз выше, чем у обычного гелия на Mcf, предполагая, что средняя электроэнергия в сети. Однако связь извлечения с возобновляемой энергией (солнечной или ветровой) может уменьшить этот след почти до нуля. Кроме того, атмосферная добыча позволяет избежать выбросов метана, связанных с производством природного газа - мощного парникового газа.

Добыча сланцевого гелия несет в себе свои собственные экологические нагрузки. Гидравлический разрыв пласта потребляет большие объемы воды (обычно 2-5 миллионов галлонов на скважину), создает риски загрязнения грунтовых вод, если не управлять должным образом, и производит водоотводную воду, которая должна быть обработана или повторно введена. В регионах с дефицитом воды, таких как засушливый бассейн Парадокса, водоснабжение является основным ограничением. Некоторые операторы изучают неводные фрекинговые жидкости (например, жидкий пропан, гелеобразный сжиженный газ) для сокращения использования воды, но они остаются дорогими. Наземные нарушения от буровых площадок, дорог и трубопроводов могут фрагментировать места обитания, хотя след на единицу гелия невелик по сравнению с добычей угля или нефти.

Стратегические последствия для безопасности поставок

Министерство внутренних дел США классифицировало гелий как критически важный минерал из-за его важной роли в национальной безопасности и высокотехнологичном производстве. Соединенные Штаты являются крупнейшим в мире потребителем гелия, но импортируют примерно 30% его поставок. Разработка внутренних нетрадиционных источников - как атмосферных, так и сланцевых - может снизить эту зависимость и буфер от шоков поставок от иностранных производителей. Несколько законопроектов до Конгресса предлагают увеличить финансирование исследований и разработок гелия, включая экспериментальные заводы по атмосферной добыче и геологические исследования для богатых гелием бассейнов.

Путь вперед: исследования, инвестиции и политика

Правительственные и частные инициативы

Управление по ископаемой энергии и углеродному менеджменту Министерства энергетики США совместно финансировало проекты по добыче гелия из газа из воздушного и угольного пластов. Агентство перспективных исследовательских проектов (ARPA-E) запустило в 2023 году программу под названием «HelioPowder» для разработки передовых сорбентов для разделения гелия с низким энергопотреблением. С частной стороны такие стартапы, как Helix (Калифорния) строят модульные атмосферные гелиевые установки с использованием криогенной дистилляции, интегрированные с производством азота, ориентированные на промышленных потребителей газа. В Танзании Helium One планирует бурить оценочные скважины в конце 2024 года и ожидает первого производства к 2026 году.

Регулятивные и рыночные барьеры

Преодоление нормативных препятствий будет столь же важным, как и решение технических. Рынок гелия непрозрачен - доминируют долгосрочные контракты между крупными производителями (ExxonMobil, Air Products, Linde) и дистрибьюторами, а спотовые цены являются волатильными. Новые нетрадиционные участники должны обеспечить соглашения об отводе или построить свои собственные распределительные сети, что является капиталоемким. Кроме того, разрешение на новые установки по добыче гелия может занять годы. Атмосферные установки по производству гелия сталкиваются с правилами качества воздуха, поскольку они привлекают большие объемы окружающего воздуха, которые могут содержать загрязняющие вещества; объекты должны обеспечить, чтобы выбросы летучих органических соединений или твердых частиц из процесса сжатия были в пределах. Сланцевые гелиевые скважины требуют оценки воздействия на окружающую среду в соответствии с Законом о национальной экологической политике (США) или эквивалент в других странах. Упорядочение этих процессов без ущерба для безопасности и защиты окружающей среды является ключевой целью политики.

Будущий прогноз

Заглядывая вперед, нетрадиционные источники гелия, вероятно, будут играть растущую роль. Геологическая служба США прогнозирует, что к 2035 году нетрадиционные источники (включая атмосферный и сланцевый) могут обеспечить 10-20% мирового спроса на гелий, по сравнению с менее чем 1% сегодня. Наиболее вероятный путь: первоначальное производство из высококонцентрированных сланцевых и подвальных скоплений в Танзании, Канаде и на Западе США, за которым следует постепенное развертывание атмосферных установок в регионах с высокими затратами на электроэнергию или сильным ценообразованием на углерод. Ключевые технологии - MOF, мембранные каскады и модульные криогенные системы - будут снижать затраты и позволять мелкомасштабное производство. Конечной дикой картой является цена гелия: если произойдет серьезное нарушение в Катаре или на побережье Мексиканского залива, экономика нетрадиционной добычи резко улучшится, и отрасль будет быстро масштабироваться.

Параллельно может набрать обороты движение за сохранение гелия. Переработка гелия из МРТ-систем, производство полупроводников и научно-исследовательские лаборатории уже восстанавливает около 15% используемого гелия в развитых странах. Повышение скорости переработки до 40-50% за счет улучшения технологий улавливания и очистки может снизить рост спроса и ослабить давление на предложение. Но даже при агрессивной переработке базовая траектория спроса означает, что новые источники необходимы.

Проблемы добычи гелия из нетрадиционных источников реальны и значительны - низкие концентрации, высокие потребности в энергии, незрелая инфраструктура и неопределенная геология. Тем не менее возможности одинаково существенны: почти бесконечный атмосферный резервуар, новые геологические игры с исключительными оценками и набор технологических достижений, которые обещают сделать добычу эффективной и экономически эффективной. Сочетание рыночного спроса, стратегической необходимости и инноваций выталкивает добычу гелия из его традиционной зоны комфорта. Следующее десятилетие определит, могут ли эти нетрадиционные источники реализовать свой потенциал и помочь обеспечить поставки гелия для будущих поколений.