Хранение и консервация гелия - Helium storage and conservation

Хранение и консервация гелия - это процесс поддержания запасов гелия и предотвращения его бесполезных потерь.

Гелий коммерчески производится как побочный продукт натуральный газ добыча. До середины 1990-х годов Горное управление США эксплуатировало крупномасштабное хранилище гелия для обеспечения государственных требований к гелию.

В Закон о приватизации гелия 1996 г. и последующий рост спроса на гелий привел к нестабильности рынка и появлению значительных новых производителей. Периодическая нехватка или рост цен побуждают пользователей гелия искать новые способы экономии на потреблении гелия. Недостаток гелия может повлиять на исследователей и промышленных пользователей гелия и может привести к потере исследовательских материалов и оборудования.

Перспективы хранения и сохранения гелия

Еще в 1982 г. с разных точек зрения велись дискуссии о возможности дефицита гелия.[1][2][3] Одним из таких пунктов обсуждения было изучение целесообразности хранения гелия в Соединенных Штатах с экономической точки зрения.[1][2][3] Максимизация благосостояния в результате этого ограниченного природного ресурса была в центре внимания людей этой школы.[1][2][3] Этот экономический подход представлен критерием текущей стоимости. Согласно этому критерию, ресурс идеально продается в тот момент, когда ожидается, что прибыль плюс начисленные проценты будет выше, чем она будет в любой момент в обозримом будущем, что обеспечит максимальную экономическую ценность.[3] С другой стороны, были люди, которые отстаивали более консервативный подход, полагая, что критерий текущей стоимости привел к слишком быстрому использованию ресурса и слишком низкому учету потребностей будущих поколений.[3] Некоторые ученые предположили, что гелий следует отделять от стольких источников, которые были бы энергетически идеальными.[3]

Обсуждения продолжаются. Дефицит гелия во всем мире в 2006-7 гг. Усилил эти опасения. Этот дефицит вызвал скачок цен и полное прекращение поставок для некоторых потенциальных покупателей. Некоторое оборудование может прийти в негодность или необратимо выйти из строя без достаточной подачи гелия. Например, бесперебойные поставки жидкого гелия необходимы огромному количеству университетских исследователей, больниц, фармацевтических компаний и высокотехнологичных отраслей.[4] Без жидкого гелия все магнитно-резонансная томография машины вышли бы из строя, и в настоящее время нет эквивалентной диагностической технологии для их замены [4] Как следствие, нехватка гелия - очень серьезная проблема для определенных групп. Однако область применения гелия гораздо шире.[3] Он использовался в других исследовательских лабораториях, на самолетах легче воздуха, в ракетах, при сварке в инертных условиях, при производстве дыхательных смесей для глубоководных погружений, респираторной терапии и в криогенике.[3] Помимо лабораторных применений и криогеники, не во всех этих областях используются уникальные свойства гелия, который, следовательно, можно заменить.[3]

Одним из следствий опасений по поводу нехватки гелия являются попытки увеличить объемы производства. Производителям природного газа выгодно извлекать гелий из источников, содержащих более 0,3 процента.[4] Часть стратегии Закона о рациональном использовании гелия 2013 г., который в настоящее время реализуется Министерством энергетики США через его Управление перспективного производства изотопов в Управлении ядерной физики в Министерство энергетики США Office of Science, должен был улучшить экономику извлечения гелия сверх этого порога, добившись успехов в мембранная технология используется в производственном процессе.[4]

Средняя цена жидкого гелия в Северной Америке в 2013 году составляла около 6 долларов за литр и представляет собой нижнюю границу диапазона цен; Европа с ценой около 10 долларов за литр находится в середине, тогда как Латинская Америка и Азия расходуют самый высокий диапазон в 13-15 долларов за литр.[5]

Особое положение исследователей

Несколько исследовательских организаций опубликовали заявления о дефиците и сохранении гелия.[6][4] Среди них Американское физическое общество, насчитывающая около 53 000 членов, Общество исследования материалов, международная организация, насчитывающая 16 000 членов, и Американское химическое общество, крупнейшее в мире научное общество, насчитывающее около 158 000 членов.[4] Эти организации выпустили стратегические рекомендации еще в 1995 г. и не позднее 2016 г., призывая правительство Соединенных Штатов хранить и сохранять гелий из-за естественных ограничений на поставку гелия и уникальной природы элемента.[6][4] Для исследователей гелий незаменим, поскольку он необходим для получения очень низких температур.[4] В последние годы опасения по поводу высоких цен и возникновения дефицита в 2006-7 годах также способствовали призывам к сохранению гелия и мерам по снижению цен на гелий для исследователей из этих организаций.[4] Не только уровень цен создает трудности для исследователей, но и их неустойчивость. Поскольку исследователи часто работают с фиксированным бюджетом, внезапное повышение цен на гелий приводит к нехватке средств для их исследовательских проектов.[4][7] Пример из Соединенных Штатов Америки наглядно демонстрирует влияние на бюджеты исследователей: в то время как в середине 2000-х годов отдельные исследователи получали вознаграждение от Национальный фонд науки Подразделение исследований материалов ежегодно тратило около 130 000 долларов США, а типичный исследователь низких температур ежегодно тратил до 15 000 долларов США из своего гранта на жидкий гелий, в 2015 году типичный грант Отдела исследований материалов для отдельного исследователя едва увеличился до 140000 долларов США на каждого исследователя. в год, в то время как исследователи теперь должны потратить более 40 000 долларов - более четверти их гранта - на жидкий гелий.[4] В настоящее время жидкий гелий может составлять до 30% стоимости некоторых исследовательских проектов в области низких температур.[4]

В ответ исследовательские организации выделили средства на гранты для малых предприятий по производству ожижителей для исследовательских целей. По оценкам Отдела исследования материалов, потенциально существуют сотни исследовательских групп, для которых было бы экономически выгодно приобрести такую ​​систему, но у которых нет необходимых средств, поскольку такой грант может помочь лишь небольшой части. программы.[4]

Высокие цены вынудили исследовательские организации дать рекомендации правительству США и исследователям о том, как сохранить гелий за счет сокращения потребления.[4] Вследствие высоких цен все больше исследователей вкладывают средства в системы улавливания газа, чтобы сократить потребление гелия.[7] Такие системы окупаются за три года.[4]

Еще одна мера, которая была принята для обеспечения поставок гелия для исследователей в Соединенных Штатах, - это партнерство Американского физического общества и Американского химического общества с Агентством оборонной логистики США. Министерство обороны создать Программу закупок жидкого гелия, которая предоставляет участникам программы более доступный и надежный жидкий гелий. Объединяя потребности клиентов, Defense Logistics Agency существенно увеличивает свою покупательную способность при заключении контрактов и цене. Программа также сотрудничает с несколькими поставщиками жидкого гелия, поэтому ее клиенты не привязаны к одному поставщику. Участники программы добились более надежной доставки и средней экономии 15 процентов.[4]

По данным этих исследовательских организаций, уже начинают проявляться негативные последствия высокой цены гелия для исследований: ученые отказываются от областей исследований, в которых требуется жидкий гелий, профессорам приходится сокращать набор аспирантов, а институты уходят от найм новых преподавателей в областях исследований, требующих использования жидкого гелия.[4]

Развитие гелиевой промышленности

В 1914 году гелий был обсужден в Великобритании и Соединенных Штатах в качестве замены водорода в аэростаты заграждения и самолет.[8]

Первым крупным достижением в производстве гелия был Закон о сохранении гелия от 3 марта 1925 года. Он установил программу производства и продаж под контролем централизованного предприятия, Горное управление США.[1] Примерно в это же время было обнаружено, что гелий позволяет дайверы остаться под водой дольше и подняться за более короткое время, представляя еще одно применение гелия. В ответ на истощение источников гелия от 3 марта 1927 г. был принят Закон о гелии, запрещающий продажу гелия зарубежным странам и для использования внутри страны в негосударственных целях.[8]

К 1937 году столкнулся ряд факторов, которые побудили правительство Соединенных Штатов пересмотреть свою политику в отношении гелия и принять Закон о гелии от 1 сентября 1937 года. Появлялись новые способы использования гелия, и армии и флоту США не требовалось и близко к общенациональному производству. . Последний импульс был дан Гинденбургская катастрофа, что можно было бы предотвратить, если бы у немцев был доступ к гелию.[8] Закон разрешил продажу газообразного гелия, в котором правительство США не нуждалось. В конечном итоге это привело к расширению использования гелия во многих научных и коммерческих отраслях, поскольку Горное управление также поставляло гелий частным предприятиям. Принятие этого закона также позволило недружественным правительствам иностранных государств покупать гелий для собственного коммерческого использования. Когда нацистская Германия подала заявку на 18 миллионов кубических футов гелия для общественных перелетов на дирижаблях, это вызвало споры в США, которые привели к отказу.[8]

Во время Второй мировой войны государственный спрос все еще значительно превышал частное использование, и предложения было достаточно для удовлетворения государственных потребностей (230 миллионов кубических футов в 1942 году).[8] К концу войны спрос на гелий резко упал, и работа большинства производственных предприятий прекратилась. Это привело к тому, что в январе 1945 года Горное управление приступило к реализации программы сохранения гелия, введя излишки гелия в шахту. Газовое месторождение Клиффсайд.[8]

Создание Национального гелиевого резерва США

Основная статья: Национальный гелиевый заповедник

С 1917 по 1962 год Горное бюро было основным производителем гелия и оставалось единственным очистителем гелия до 1963 года.[1][2] В преддверии начала 1960-х годов в Соединенных Штатах резко вырос спрос на гелий со стороны правительства. Его подпитывали военные, особенно для аэрокосмический такие приложения, как ракеты на жидком топливе для обороны и исследования космоса.[1][3][2] До 1962 г. количество хранимого гелия было очень небольшим, и количество доступного гелия в основном определялось производством натуральный газ, от которого он отделяется как побочный продукт, а не рыночными силами.[2][4]

Ситуация изменилась в начале 1960-х годов с созданием Национального гелиевого резерва США.[3] В это время Горное бюро впервые заключило долгосрочные контракты с четырьмя частными компаниями на закупку и хранение большого количества гелия, и оно установило подземный резервуар на месторождении Клиффсайд недалеко от Амарилло, Техас.[1][2][3] Первоначальной целью этого резерва было хранение гелия в 1960-х годах для государственного использования в 1970-х годах.[3] Чтобы обеспечить амортизацию выручки от будущих продаж, министр внутренних дел повысил цену на гелий высокой чистоты с 12 долларов за тысячу кубических футов до 35 долларов.[1][4] Этот скачок цен стал стимулом для частных компаний выйти на рынок и продавать гелий по более низким ценам.[1][3][4] К 1970 году также стало очевидно, что прогнозируемого увеличения государственного спроса не произошло и что гелия, хранящегося в Клифсайд Филд, хватит на десятилетия. Сочетание более низкого, чем прогнозировалось, спроса и частной конкуренции привело к устойчивым потерям для Национального гелиевого резерва. В ответ правительство аннулировало свои контракты в 1973 году.[1][3] Как следствие, коэффициент использования промышленных мощностей по производству гелия упал со 104% в 1966 году до 41,7% в 1974 году. Гелиевые компании, участвовавшие в операции, подали в суд на правительство Соединенных Штатов за нарушение контракта. Владельцы земли, содержащей природный газ, из которого гелий был выделен в качестве побочного продукта, подали в суд на правительство в отношении стоимости гелия, поскольку они не могли продать его третьим лицам.[3] В 1970-е годы Горное управление изменило свою политику, разрешив частным компаниям хранить гелий в Клифсайд-Филд. Это оказало глубокое влияние на отрасль. До этого решения примерно два миллиарда кубических футов гелия ежегодно отделялось от природного газа и продавалось 0,6 миллиарда кубических футов. Через три года после принятия решения было продано 0,88 миллиарда кубических футов, 0,54 - хранится, а 0,98 - отделено и удалено. При этом около 4,74 миллиарда кубических футов не было отделено от природного газа.[3]

Закон о приватизации гелия

В 1990-х годах наблюдался быстрый рост спроса из-за развития электроники и магнитно-резонансная томография отрасли. Этот рост продолжался более медленными темпами до 2010-х годов, за исключением 2008-2009 годов.[4][8] Продажи Национального гелиевого резерва привели к колебаниям как цен, так и предложения.[4] В этом контексте Закон о приватизации гелия был принят в Соединенных Штатах в 1996 году. На Бюро по управлению земельными ресурсами была возложена ответственность за управление Национальным запасом гелия и возмещение вложений налогоплательщиков за счет продажи сырого гелия частным поставщикам.[8][4] Недавно принятый закон, направленный на полную приватизацию рынка гелия, требует, чтобы Бюро землепользования распродало подавляющую часть запасов в течение следующих нескольких лет и прекратило свою деятельность к 2021 году.[4] После проблем с поставками гелия в 2012-2013 годах Конгресс США принял меры по продлению срока службы заповедника.[8][7]

Новые производители

В то время как раньше большая часть технологий производства гелия находилась в Соединенных Штатах, постепенно появлялись новые страны-производители, и Катар, Канада, Алжир и Россия являются производителями газа.[9][7][4][8] В 2015 году это новое производство привело к превышению предложения над спросом.[4] Соединенные Штаты, которые исторически были экспортером гелия, скоро впервые в своей истории станут импортером.[8] С 2013 года крупнейший в мире гелиевый центр больше не находится в Соединенных Штатах Америки, а в Катаре, который производит 1,3 миллиарда кубических футов гелия в год в рамках одного проекта и удовлетворяет 25% мирового спроса.[8] Одна из проблем, связанных с выводом на рынок новых источников гелия, заключается в том, что для этого обычно требуется венчурный капитал финансирование.[8] Еще одна проблема заключается в том, что текущая отпускная цена гелия Cliffside в США слишком низка, чтобы побудить новых производителей выйти на рынок.[8]

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j Бен-Чие, Лю (1982). «Сохранение гелия, прогнозы спроса и предложения в США». Экономика энергетики.
  2. ^ а б c d е ж грамм Ури, Ноэль Д. (1987). «Сохранение гелия: пересмотр прогнозов спроса и предложения в США». Экономика энергетики.
  3. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q Эппл, Деннис (1982). «Споры о хранении гелия: моделирование предложения природных ресурсов: сложный вопрос о хранении гелия представляет собой тематическое исследование трудных решений, связанных с использованием природных ресурсов». Американский ученый.
  4. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q р s т ты v ш Икс y z Американское физическое общество, Американское химическое общество, Общество исследования материалов (2016). «В ответ на кризис жидкого гелия исследовательского сообщества США». https://www.aps.org/policy/reports/popa-reports/upload/HeliumReport.pdf
  5. ^ Львовский Ю., Стаутнер Э. В., Чжан Т. (2013). «Новые технологии и конфигурации сверхпроводящих магнитов для МРТ». Сверхсекунда. Sci. Technol. 26 093001
  6. ^ а б Американское физическое общество (1995). «Национальная политика». https://www.aps.org/policy/statements/95_3.cfm
  7. ^ а б c d Чжан, С. (2013). «США продлевают жизнь гелиевого резерва». Новости природы.
  8. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п Уилер М., Sears (2015). Гелий - исчезающий элемент. Springer. ISBN  978-3-319-15123-6.
  9. ^ Наттолл, В. Дж., Кларк, Р., Гловацки, Б. (2012). «Будущее гелия как природного ресурса», Рутледж.