Хранение и консервация гелия

Хранение и консервация гелия — это процесс поддержания запасов гелия и предотвращения нерациональных потерь.

Гелий коммерчески производится как побочный продукт добычи природного газа . До середины 1990-х годов Горное управление США эксплуатировало крупное хранилище гелия для удовлетворения государственных потребностей в гелии.

Закон о приватизации гелия 1996 года и последующий рост спроса на гелий привели к нестабильности рынка и появлению новых крупных производителей. Периодический дефицит или рост цен побудили пользователей гелия искать новые способы сэкономить на потреблении гелия. Отсутствие поставок 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 году с разных точек зрения обсуждалась возможность нехватки гелия. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Одним из таких вопросов обсуждения было изучение полезности хранения гелия в Соединенных Штатах с экономической точки зрения. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Максимизация благосостояния, обеспечиваемая этим ограниченным природным ресурсом, была в центре внимания людей этой школы мысли. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Этот экономический подход представлен критерием текущей стоимости. Согласно этому критерию, в идеале ресурс продается в тот момент, когда ожидается, что прибыль плюс сложные проценты будут выше, чем в любой момент в обозримом будущем, обеспечивая тем самым максимальную экономическую ценность. ^{[ 3 ]} С другой стороны, были люди, которые выступали за более консервативный подход, полагая, что критерий текущей стоимости приводит к слишком быстрому использованию ресурса и слишком малому учету потребностей будущих поколений. ^{[ 3 ]} Некоторые ученые предположили, что гелий следует отделять от стольких источников, сколько это было бы энергетически идеально. ^{[ 3 ]}

Обсуждения продолжаются. Возникновение мировой нехватки гелия в 2006-2007 годах сделало эти опасения еще более актуальными. Этот дефицит вызвал скачок цен и полное прекращение поставок некоторым потенциальным покупателям. Некоторое оборудование может стать бесполезным или необратимо поврежденным без достаточного снабжения гелием. Например, бесперебойное снабжение жидким гелием необходимо огромному числу университетов-исследователей, больниц, фармацевтических компаний и высокотехнологичных производств. ^{[ 4 ]} Без жидкого гелия все аппараты магнитно-резонансной томографии вышли бы из строя, и в настоящее время не существует эквивалентной диагностической технологии, способной заменить их. ^{[ 4 ]} Как следствие, нехватка гелия является очень серьезной проблемой для определенных групп населения. Однако гелий имеет гораздо более широкий спектр применения. ^{[ 3 ]} Его использовали в других исследовательских лабораториях, на кораблях легче воздуха, ракетах, сварке в инертных условиях, производстве дыхательных смесей для глубоководных погружений, респираторной терапии и в криогенике. ^{[ 3 ]} Помимо лабораторных применений и криогеники, не во всех этих целях используются уникальные свойства гелия, который, следовательно, является заменимым. ^{[ 3 ]}

Одним из последствий опасений нехватки гелия являются попытки увеличить объемы производства. Производителям природного газа выгодно извлекать гелий из источников с содержанием более 0,3 процента. ^{[ 4 ]} Часть стратегии Закона об управлении гелием 2013 года, который в настоящее время реализуется Министерством энергетики США через Управление перспективного производства изотопов в Управлении ядерной физики Управления науки Министерства энергетики США, заключалась в улучшении экономики извлечение гелия сверх этого порога за счет развития мембранной технологии, используемой 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 ценового диапазона; Европа с ценой около 10 долларов за литр находится посередине, тогда как Латинская Америка и Азия тратят самый высокий диапазон в 13–15 долларов за литр. ^{[ 5 ]}

Особое положение исследователей

Несколько исследовательских организаций опубликовали заявления о нехватке и сохранении гелия. ^{[ 6 ]}^{[ 4 ]} Среди них Американское физическое общество , насчитывающее 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 опубликовали политические рекомендации еще в 1995 году и еще в 2016 году, призывая правительство Соединенных Штатов хранить и сохранять гелий из-за естественных ограничений на запасы гелия и уникальной природы этого 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 2006-2007 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 волатильность. Поскольку исследователи часто работают с практически фиксированным бюджетом, внезапный рост цен на гелий приводит к нехватке достаточных средств для их исследовательских проектов. ^{[ 4 ]}^{[ 7 ]} Пример Соединенных Штатов Америки ясно демонстрирует влияние на бюджеты исследователей: в то время как в середине 2000-х годов индивидуальные вознаграждения исследователей от Отдела исследований материалов Национального научного фонда составляли примерно 130 000 долларов в год, и типичный исследователь, работающий в области низких температур, тратил до 15 000 долларов ежегодного гранта на жидкий гелий, в 2015 году типичный грант Отдела исследований материалов для отдельного исследователя лишь незначительно увеличился до 140 000 долларов в год, в то время как исследователям теперь приходится тратить более 40 000 долларов — более четверти их гранта — на жидком гелии. ^{[ 4 ]} В настоящее время жидкий гелий может составлять более 30% стоимости некоторых низкотемпературных исследовательских проектов. ^{[ 4 ]}

В ответ исследовательские организации выделили средства на гранты для малых ожижителей для исследовательских целей. По оценкам Отдела исследования материалов, потенциально существуют сотни исследовательских групп, для которых было бы экономически целесообразно приобрести такую систему, но которые не имеют необходимых средств, поскольку только небольшая часть может получить помощь с помощью такого гранта. программы. ^{[ 4 ]}

Высокие цены заставили исследовательские организации выпустить рекомендации как правительству США, так и исследователям о том, как сохранить гелий за счет сокращения потребления. ^{[ 4 ]} Из-за высоких цен все больше исследователей инвестировали в системы улавливания газа, чтобы сократить потребление гелия. ^{[ 7 ]} Такие системы могут окупить себя в течение трех лет. ^{[ 4 ]}

Еще одной мерой, которая была принята для обеспечения поставок гелия для исследователей в Соединенных Штатах, является партнерство Американского физического общества и Американского химического общества с Агентством оборонной логистики Министерства обороны для создания Программы закупок жидкого гелия, которая обеспечивает более доступный и надежный жидкий гелий для участников программы. Объединив потребности клиентов, Агентство оборонной логистики существенно увеличивает свою покупательную способность при переговорах по контрактам и ценам. Программа также сотрудничает с несколькими поставщиками жидкого гелия, чтобы ее клиенты не были привязаны к одному поставщику. Участники программы добились более надежной доставки и средней экономии в 15 процентов. ^{[ 4 ]}

По данным этих исследовательских организаций, уже начинают проявляться негативные последствия высокой цены на гелий для исследований: ученые отказываются от областей исследований, требующих жидкого гелия, профессорам приходится сокращать набор аспирантов, а учреждения отходят от найм новых преподавателей в областях исследований, требующих использования жидкого гелия. ^{[ 4 ]}

Развитие гелиевой промышленности

В 1914 году гелий обсуждался в Великобритании и США как замена водороду в аэростатах заграждения и самолетах. ^{[ 8 ]}

Первым крупным событием в производстве гелия стал Закон о сохранении гелия от 3 марта 1925 года. Он установил программу производства и продаж под контролем централизованной организации — Горного управления США . ^{[ 1 ]} Примерно в это же время было обнаружено, что гелий позволяет дайверам дольше оставаться под водой и всплывать за более короткое время, что представляет собой еще одно применение гелия. В ответ на истощение источников гелия 3 марта 1927 года был принят Закон о гелии, запрещающий продажу гелия за границу и для внутреннего негосударственного использования. ^{[ 8 ]}

К 1937 году столкновение ряда факторов заставило правительство Соединенных Штатов пересмотреть свою политику в отношении гелия и принять Закон о гелии от 1 сентября 1937 года. . Последний толчок дала катастрофа в Гинденбурге , которую можно было бы предотвратить, если бы у немцев был доступ к гелию. ^{[ 8 ]} Закон разрешил продажу газообразного гелия, не необходимого правительству США. 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 невраждебным иностранным правительствам приобретать гелий для собственного коммерческого использования. Когда нацистская Германия подала заявку на 18 миллионов кубических футов гелия для общественных путешествий на дирижаблях, это вызвало дебаты в США, которые привели к отказу. ^{[ 8 ]}

На протяжении Второй мировой войны государственный спрос по-прежнему значительно превышал частное использование, и предложение было достаточным для удовлетворения государственных потребностей (230 миллионов кубических футов в 1942 году). ^{[ 8 ]} К концу войны спрос на гелий резко упал, и работа большинства заводов прекратилась. Это побудило Горное управление начать программу сохранения гелия в январе 1945 года, закачивая излишки гелия в газовое месторождение Клиффсайд . ^{[ 8 ]}

Создание Национального запаса гелия США

С 1917 по 1962 год Горное управление было основным производителем гелия и оставалось единственным очистителем гелия до 1963 года. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} К началу 1960-х годов в США наблюдался быстрый рост государственного спроса на гелий. Его подпитывали военные, особенно для аэрокосмических применений, таких как ракеты на жидком топливе для обороны и исследования космоса. ^{[ 1 ]}^{[ 3 ]}^{[ 2 ]} До 1962 года количество хранимого гелия было очень небольшим, а количество доступного гелия в основном определялось производством природного газа , из которого он отделяется как побочный продукт, а не рыночными силами. ^{[ 2 ]}^{[ 4 ]}

Ситуация изменилась в начале 1960-х годов с созданием Национального запаса гелия США. ^{[ 3 ]} В это время Горное управление впервые заключило долгосрочные контракты с четырьмя частными компаниями на закупку и хранение больших количеств гелия и установило подземный резервуар на месторождении Клиффсайд недалеко от Амарилло , штат Техас. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Первоначальной целью этого резерва было хранение гелия в 1960-х годах для государственного использования в 1970-х годах. ^{[ 3 ]} Чтобы гарантировать, что доходы от будущих продаж амортизируют затраты, министр внутренних дел поднял 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 на Клиффсайдском поле, хватит на десятилетия. Сочетание более низкого, чем прогнозировалось, спроса и частной конкуренции привело к устойчивым потерям для Национального запаса гелия. В ответ правительство расторгло свои контракты в 1973 году. ^{[ 1 ]}^{[ 3 ]} Как следствие, уровень 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 США за нарушение контракта. Владельцы земли, содержащей природный газ, из которого в качестве побочного продукта был выделен гелий, подали в суд на правительство о возмещении стоимости гелия, поскольку они не могли продать его третьим лицам. ^{[ 3 ]} В 1970-х годах Горное управление изменило свою политику, разрешив частным компаниям хранить гелий на месторождении Клиффсайд. Это оказало глубокое влияние на отрасль. До этого решения ежегодно из природного газа отделялось около двух миллиардов кубических футов гелия и продавалось 0,6 миллиарда кубических футов. Через три года после принятия решения 0,88 миллиарда кубических футов было продано, 0,54 — складировано, а 0,98 — отделено и выброшено. При этом из природного газа не было выделено около 4,74 млрд куб. футов. ^{[ 3 ]}

Закон о приватизации гелия

В 1990-е годы наблюдался быстрый рост спроса в связи с развитием промышленности электроники и магнитно-резонансной томографии . Этот рост продолжался более медленными темпами до 2010-х годов, за исключением 2008–2009 годов. ^{[ 4 ]}^{[ 8 ]} Продажи Национального запаса гелия привели к колебаниям как цен, так и поставок. ^{[ 4 ]} В этом контексте в Соединенных Штатах в 1996 году был принят Закон о приватизации гелия . На Бюро землеустройства была возложена ответственность за эксплуатацию Национального запаса гелия, а также возмещать инвестиции налогоплательщиков за счет продажи сырого гелия частным продавцам. ^{[ 8 ]}^{[ 4 ]} Более поздний закон, направленный на полную приватизацию рынка гелия, требует, чтобы Бюро землеустройства распродало подавляющую часть запаса 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 решение продлить срок службы резерва. ^{[ 8 ]}^{[ 7 ]}

Новые производители

Хотя раньше большинство технологий производства гелия находились в Соединенных Штатах, постепенно появились новые страны-производители, а производителями газа являются Катар, Канада, Алжир и Россия. ^{[ 9 ]}^{[ 7 ]}^{[ 4 ]}^{[ 8 ]} В 2015 году новое производство привело к превышению предложения над спросом. ^{[ 4 ]} Соединенные Штаты, которые исторически были экспортером гелия, вскоре впервые в своей истории станут его импортером. ^{[ 8 ]} С 2013 года крупнейший в мире гелиевый центр больше не находится в Соединенных Штатах Америки, а находится 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 это обычно требует венчурного финансирования. ^{[ 8 ]} Еще одна проблема заключается в том, что текущая цена реализации гелия Cliffside в США слишком низка, чтобы стимулировать появление новых производителей в этой области. ^{[ 8 ]}

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж Бен-Чье, Лю (1982). «Сохранение гелия и прогнозы спроса и предложения в США». Экономика энергетики .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Ури, Ноэль Д. (1987). «Сохранение гелия: пересмотр прогнозов спроса и предложения в США». Экономика энергетики . 9 (2): 93. Бибкод : 1987EneEc...9...93U . дои : 10.1016/0140-9883(87)90011-9 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н ^тот ^п ^д Эппл, Деннис (1982). «Спор о хранении гелия: моделирование поставок природных ресурсов: сложный вопрос хранения гелия представляет собой тематическое исследование трудных решений, связанных с использованием природных ресурсов». Американский учёный .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н ^тот ^п ^д ^р ^с ^т ^в ^v ^В ^х ^и ^С Американское физическое общество, Американское химическое общество, Общество исследования материалов (2016). «Реагирование на кризис жидкого гелия в исследовательском сообществе США». https://www.aps.org/policy/reports/popa-reports/upload/HeliumReport.pdf
^ Львовский Ю., Стаутнер Э.В., Чжан Т. (2013). «Новые технологии и конструкции сверхпроводящих магнитов для МРТ». Суперконд. наук. Технол. 26 093001
^ Jump up to: ^а ^б Американское физическое общество (1995). «Национальная политика». https://www.aps.org/policy/statements/95_3.cfm
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Чжан, С. (2013). «США продлевают жизнь запасам гелия». Новости природы.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н Уиллер М., Сирс (2015). Гелий Исчезающий элемент . Спрингер. ISBN 978-3-319-15123-6 .
^ Наттолл, В.Дж., Кларк, Р., Гловацкий, Б., (2012). «Будущее гелия как природного ресурса», Routledge.

[:1-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж Бен-Чье, Лю (1982). «Сохранение гелия и прогнозы спроса и предложения в США». Экономика энергетики .

[:2-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г Ури, Ноэль Д. (1987). «Сохранение гелия: пересмотр прогнозов спроса и предложения в США». Экономика энергетики . 9 (2): 93. Бибкод : 1987EneEc...9...93U . дои : 10.1016/0140-9883(87)90011-9 .

[:3-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н ^тот ^п ^д Эппл, Деннис (1982). «Спор о хранении гелия: моделирование поставок природных ресурсов: сложный вопрос хранения гелия представляет собой тематическое исследование трудных решений, связанных с использованием природных ресурсов». Американский учёный .

[:4-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н ^тот ^п ^д ^р ^с ^т ^в ^v ^В ^х ^и ^С Американское физическое общество, Американское химическое общество, Общество исследования материалов (2016). «Реагирование на кризис жидкого гелия в исследовательском сообществе США». https://www.aps.org/policy/reports/popa-reports/upload/HeliumReport.pdf

[5] Львовский Ю., Стаутнер Э.В., Чжан Т. (2013). «Новые технологии и конструкции сверхпроводящих магнитов для МРТ». Суперконд. наук. Технол. 26 093001

[:6-6] Jump up to: ^а ^б Американское физическое общество (1995). «Национальная политика». https://www.aps.org/policy/statements/95_3.cfm

[:5-7] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Чжан, С. (2013). «США продлевают жизнь запасам гелия». Новости природы.

[:0-8] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н Уиллер М., Сирс (2015). Гелий Исчезающий элемент . Спрингер. ISBN 978-3-319-15123-6 .

[9] Наттолл, В.Дж., Кларк, Р., Гловацкий, Б., (2012). «Будущее гелия как природного ресурса», Routledge.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]