L’hélium est difficile à remplacer
(construction-physics.com)- L’hélium ne peut être obtenu que comme sous-produit de l’extraction du gaz naturel, ce qui le rend très vulnérable aux conflits géopolitiques et aux perturbations de la chaîne d’approvisionnement
- Il est utilisé comme ressource indispensable dans les IRM, semi-conducteurs, fibres optiques, aérospatiale et recherche scientifique grâce à ses propriétés de refroidissement cryogénique et d’inertie chimique
- Dans des domaines comme la lithographie EUV et le refroidissement des aimants supraconducteurs, aucun gaz de substitution n’existe en raison de ses propriétés physiques
- Certains secteurs réduisent leur consommation grâce à des systèmes de recyclage, mais un remplacement complet est impossible
- L’approvisionnement en hélium est directement lié à la production de gaz naturel, si bien que les réglementations environnementales et les retards dans le développement des infrastructures alimentent une instabilité durable de l’offre
Chaîne d’approvisionnement de l’hélium et impossibilité de substitution
- La guerre avec l’Iran et le blocage du détroit d’Ormuz affectent gravement non seulement le pétrole, mais aussi la chaîne d’approvisionnement en hélium
- L’hélium est produit comme sous-produit de l’extraction du gaz naturel, et le Qatar représente environ un tiers de l’offre mondiale
- Le blocage du détroit fait bondir les prix de l’hélium, et les fournisseurs déclarent des cas de force majeure
- Les réserves stratégiques d’hélium maintenues par le gouvernement américain ont été entièrement vendues en 2024
Propriétés de l’hélium et structure de production
- L’hélium est l’élément le plus léger après l’hydrogène et le deuxième élément le plus abondant de l’univers
- Dans l’atmosphère terrestre, il est si léger qu’il s’échappe dans l’espace, de sorte qu’il ne peut être extrait commercialement que de gisements souterrains de gaz naturel
- Il est produit par la désintégration radioactive de l’uranium et du thorium et s’accumule dans les couches de gaz pendant des millions d’années
- Les États-Unis et le Qatar assurent environ les deux tiers de la production mondiale, le reste provenant de la Russie, de l’Algérie, du Canada, de la Chine, de la Pologne, etc.
- L’hélium est l’élément au point d’ébullition le plus bas, à 4,2 K (-452 °F)
- Il peut rester liquide même au voisinage du zéro absolu, ce qui le rend indispensable au refroidissement cryogénique
- Ses propriétés d’inertie, de forte conductivité thermique et de faible masse expliquent son usage dans de nombreuses industries
Principaux usages industriels de l’hélium
- La consommation mondiale annuelle est d’environ 180 millions de m³ ; c’est peu comparé à l’azote ou au gaz naturel, mais il s’agit d’une ressource clé irremplaçable
-
Équipements d’IRM
- Représentent environ 17 % de la consommation d’hélium aux États-Unis
- Utilisé pour le refroidissement des aimants supraconducteurs ; les aimants en NbTi ne restent supraconducteurs qu’à 9,2 degrés au-dessus du zéro absolu
- Autrefois, les pertes atteignaient 0,4 litre par heure, mais les conceptions « zero boil-off » rendent aujourd’hui les recharges presque inutiles
- Il existe quelques IRM à supraconducteurs haute température, mais la plupart des 50 000 IRM dépendent toujours de l’hélium
-
Industrie des semi-conducteurs
- Représente environ 25 % de la consommation mondiale d’hélium, et environ 10 % aux États-Unis
- Utilisé pour la croissance du silicium par procédé Czochralski, la lithographie EUV, le nettoyage des chambres à vide et la détection de fuites
- Dans les équipements EUV, l’hélium est irremplaçable car il absorbe très peu le rayonnement EUV
- Selon des rapports industriels, l’utilisation d’hélium devrait être multipliée par cinq d’ici 2035
-
Fabrication de fibres optiques
- Représente 5 à 6 % de la consommation mondiale d’hélium
- Utilisé comme gaz de refroidissement empêchant la formation de bulles lors de l’assemblage du cœur et de la gaine en verre
- Aucun autre gaz ne peut le remplacer
-
Gaz de purge
- Utilisé dans l’industrie aérospatiale pour le nettoyage des réservoirs d’hydrogène liquide et d’oxygène liquide
- La NASA est le plus grand utilisateur d’hélium aux États-Unis, avec environ 7 % de la consommation totale
- Son faible point d’ébullition et son inertie rendent son remplacement difficile par d’autres gaz
-
Gaz de sustentation
-
Utilisé dans les dirigeables et les ballons, représentant environ 18 % de la consommation aux États-Unis
- Plus sûr que l’hydrogène, mais les pénuries d’approvisionnement entraînent une forte volatilité des prix
-
-
Recherche scientifique et instrumentation
- Représente environ 22 % de la consommation aux États-Unis
- Indispensable pour les aimants supraconducteurs, SQUID, spectromètres de masse et autres équipements cryogéniques ou de très haute précision
- Également utilisé en grandes quantités dans de grands centres de recherche comme le LHC du CERN
-
Soudage
- Représente environ 8 % de la consommation aux États-Unis
- Grâce à son inertie et à sa forte conductivité thermique, il convient comme gaz de protection pour les métaux en fusion
- À l’étranger, il est souvent remplacé par l’argon
-
Plongée
- Représente environ 5 % de la consommation aux États-Unis
- Entre dans la composition des mélanges respiratoires pour la plongée profonde (Trimix) afin d’éviter la narcose à l’azote
- En dehors de l’hélium, seul le néon peut partiellement le remplacer, mais sa forte résistance respiratoire le rend peu pratique
Efforts d’économie et de recyclage de l’hélium
- Dans certains domaines, la consommation baisse grâce à des gaz de substitution ou à des systèmes de recyclage
- La réduction des pertes dans les IRM et l’adoption par la NASA de systèmes de recyclage ont fait chuter l’usage dans l’aérospatial de 18,2 millions de m³ (26 %) en 2010 à 4 millions de m³ (7 %)
- Cependant, la majeure partie de l’hélium reste encore non récupérée aux États-Unis, alors que le recyclage pourrait permettre plus de 90 % d’économies
- Un remplacement complet est impossible : c’est une ressource dont on peut réduire l’usage, mais difficilement l’éliminer
Contraintes d’approvisionnement et implications politiques
- L’approvisionnement en hélium est directement corrélé à la production de gaz naturel
- Pour sécuriser davantage d’hélium, le moyen le plus direct est d’accroître l’extraction de gaz naturel
- Il existe aux États-Unis des gisements gaziers non exploités en Alaska, dans le golfe du Mexique et dans le schiste de Marcellus
- Cependant, en raison des réglementations environnementales et des retards d’autorisation, l’approbation de nouveaux projets prend souvent plus de 10 ans
- Les contraintes pesant sur l’approvisionnement en hélium et en gaz naturel entraînent des risques de volatilité des prix et de sécurité
- Par conséquent, l’intervention publique et le développement des infrastructures sont des enjeux centraux pour stabiliser l’offre
1 commentaires
Avis sur Hacker News
Moins de 10 % des centrales au gaz naturel récupèrent l’hélium, le reste étant relâché dans l’atmosphère
Ce n’est pas un problème de physique, mais d’ingénierie et de rentabilité économique
Produire de l’hélium par fusion nucléaire est irréaliste, mais imaginer un futur où l’on bombarde l’hydrogène de protons pour remplir des ballons relève vraiment de la SF
L’hélium est un gaz inerte, donc il n’existe pas de molécule qu’on puisse décomposer pour en obtenir, et les quantités issues de la décroissance radioactive ont aussi leurs limites
Je pense que si les entreprises n’agissent pas avec une vision de long terme, c’est à cause des structures de bonus
Je ne m’inquiète pas d’une pénurie d’hélium
Techniquement, on sait très bien l’extraire ; le problème, c’est la rentabilité
Si les prix montent, les investissements augmenteront et l’offre suivra
Pour l’instant, les prévisions de demande et les coûts d’investissement ne s’alignent pas, donc ce n’est pas économiquement viable
Avec une croissance annuelle de 3 %, l’épuisement surviendrait dans 80 à 140 ans ; avec 5 %, dans 50 à 90 ans
Dire « moi, je ne m’inquiète pas » n’est au fond qu’une vision égoïste à l’échelle générationnelle
J’ai récemment écouté sur le podcast Odd Lots de Bloomberg une interview d’un producteur d’hélium
Cela traitait de la structure du marché de l’hélium et des problèmes d’approvisionnement
Quand mon fils a eu une grave crise d’asthme, un traitement à l’hélium lui a sauvé la vie
Le médecin parlait de la pénurie d’hélium et disait détester l’hélium utilisé pour les ballons
J’ai alors vraiment compris que c’était une ressource précieuse
Rien qu’en réduisant les usages où l’hélium peut être remplacé — soudage, sustentation, gaz de purge, etc. — on pourrait compenser toute la production du Qatar
En y ajoutant le recyclage, on pourrait atténuer une bonne partie des problèmes d’approvisionnement
Des expériences sont en cours pour remplacer une partie de l’hélium par de l’hydrogène dans les mélanges gazeux pour la plongée
Le risque d’incendie et les effets physiologiques restent incertains, mais il pourrait y avoir un potentiel pour la plongée commerciale, militaire et d’exploration
Les plongeurs de loisir ordinaires n’utiliseront probablement jamais d’hydrogène
Article lié
En améliorant la précision des bras robotisés téléopérés, on devrait pouvoir remplacer cela sans difficulté
L’épisode du podcast Odd Lots était intéressant
Il racontait comment les États-Unis ont bradé leur réserve stratégique d’hélium en la qualifiant d’« hélium pour ballons », et abordait aussi les difficultés de production, de raffinage et de transport de l’hélium
À l’époque, la valeur stratégique de l’hélium était faible, et son principal usage durant la guerre froide concernait les ballons militaires de reconnaissance
Personne n’imaginait alors qu’il deviendrait plus tard une ressource indispensable à la lithographie des semi-conducteurs
En utilisant en permanence la réserve stratégique comme une source d’approvisionnement courante et en maintenant artificiellement les prix à un niveau bas, on a fini par provoquer la pénurie actuelle
C’est surtout la dépendance à la lithographie EUV qui m’inquiète
Les IRM ont réduit leur consommation de plus de 90 % grâce à des conceptions sans évaporation, mais dans les procédés des semi-conducteurs, l’usage d’hélium par wafer continue au contraire d’augmenter
Ce n’est pas un problème de recyclage, mais de hausse de la demande
Les retombées économiques d’une perturbation de la chaîne d’approvisionnement en hélium pourraient durer des décennies
Ce qui m’inquiète particulièrement, c’est le trop faible nombre de personnes, surtout aux États-Unis, qui prennent la gravité du problème au sérieux
Cela me rappelle l’essai The Vanishing Element d’Asimov, que j’ai lu dans les années 1980
Il y avertissait que l’hélium, une fois relâché dans l’atmosphère, est une ressource qui finit par disparaître dans l’espace
J’ai l’impression que cette prophétie est devenue réalité
Dans l’atmosphère, il se mélange à l’air et seule une partie atteint la vitesse de libération
Une partie s’échappe dans l’espace sous l’effet de facteurs complexes comme le vent solaire, mais le mécanisme exact fait encore débat