Gasolio

Elio: un sottoprodotto dell'industria del gas naturale



Le proprietà uniche dell'elio lo rendono il gas perfetto per molte applicazioni importanti


Dirigibile all'elio: Molte persone hanno sentito parlare dell'elio usato come gas di sollevamento per palloni meteorologici, dirigibili e palloncini per feste. Questi sono usi minori dell'elio. L'uso che consuma più elio di qualsiasi altro è il raffreddamento dei magneti nelle macchine MRI (risonanza magnetica) nelle strutture mediche. Foto di dirigibile Goodyear di Derek Jensen.

Che cos'è l'elio?

L'elio è un elemento chimico e un gas inerte incolore, inodore, insapore. Ha il raggio atomico più piccolo di qualsiasi elemento e il secondo peso atomico più basso. È più leggero dell'aria.

Molte persone sanno che l'elio è usato come gas di sollevamento in dirigibili e palloncini per feste, ma non possono nominare un altro modo in cui viene utilizzato. L'uso numero uno dell'elio è come gas di raffreddamento per le macchine di risonanza magnetica (MRI) utilizzate nelle strutture mediche. Altri usi importanti dell'elio includono: un gas protettivo per la saldatura, un gas inerte per la produzione di atmosfera controllata, un gas fuggitivo utilizzato per il rilevamento delle perdite e un gas a bassa viscosità per miscele respiratorie pressurizzate.

Da dove viene l'elio?

Nell'atmosfera terrestre è presente pochissimo elio. È un elemento così leggero che la gravità terrestre non riesce a trattenerlo. Quando è presente sulla superficie terrestre, l'elio non confinato inizia immediatamente a salire fino a quando non fugge dal pianeta. Ecco perché sorgono palloncini per feste!

L'elio che viene prodotto commercialmente è ottenuto da terra. Alcuni giacimenti di gas naturale hanno abbastanza elio mescolato con il gas da poter essere estratto a un costo economico. Alcuni campi negli Stati Uniti contengono oltre il 7% di elio in volume. Le aziende che perforano il gas naturale in queste aree producono gas naturale, lo trasformano e rimuovono l'elio come sottoprodotto.

Depositi di gas naturale contenenti elio: Modello di deposito per giacimenti di gas naturale contenenti elio negli Stati Uniti. L'elio è prodotto dalla decomposizione dell'uranio e del torio nelle rocce seminterrate granitoide. L'elio liberato è galleggiante e si sposta verso la superficie in porosità associata a difetti del seminterrato. L'elio si sposta quindi verso l'alto attraverso la copertura sedimentaria porosa fino a quando non viene intrappolato con gas naturale sotto i letti di anidrite o sale. Questi sono gli unici tipi di roccia lateralmente persistenti che sono in grado di intrappolare e contenere i piccoli, galleggianti atomi di elio. Questa situazione geologica si verifica solo in alcune località del mondo ed è il motivo per cui i ricchi accumuli di elio sono rari.

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Perché l'elio è presente nel gas naturale?

Si ritiene che la maggior parte dell'elio che viene rimosso dal gas naturale si forma dal decadimento radioattivo dell'uranio e del torio nelle rocce granitoide della crosta continentale terrestre. Come un gas molto leggero, è galleggiante e cerca di spostarsi verso l'alto non appena si forma. Gli accumuli di elio più ricchi si trovano in presenza di tre condizioni: 1) le rocce seminterrate granitoidi sono ricche di uranio e torio; 2) le rocce del seminterrato sono fratturate e fagliate per fornire percorsi di fuga per l'elio; e, 3) le rocce sedimentarie porose sopra le faglie del seminterrato sono ricoperte da un sigillo impermeabile di alite o anidrite. 1 Quando tutte e tre queste condizioni sono soddisfatte, l'elio potrebbe accumularsi nello strato di roccia sedimentaria porosa.

L'elio ha il raggio atomico più piccolo di qualsiasi elemento, circa 0,2 nanometri. Quindi, quando si forma e inizia a muoversi verso l'alto, può inserirsi in spazi di pori molto piccoli all'interno delle rocce. L'alite e l'anidrite sono le uniche rocce sedimentarie che possono bloccare la migrazione verso l'alto degli atomi di elio. Gli scisti che hanno i loro spazi dei pori tappati con abbondanti materiali organici (cherogeno) a volte servono come barriera meno efficace.

Depositi di gas naturale contenenti elio: Mappa che mostra i giacimenti di gas naturale che servono come importanti fonti di elio negli Stati Uniti. Il gas naturale prodotto da questi campi contiene tra lo 0,3% e oltre il 7% di elio. L'elio viene rimosso dal gas per la vendita commerciale. Immagine utilizzando i dati sulla posizione dell'indagine geologica degli Stati Uniti. 2

Dove è ricco di gas naturale in elio?

La maggior parte del gas naturale non trasformato contiene almeno tracce di elio. Pochissimi giacimenti di gas naturale contengono abbastanza per giustificare un processo di recupero dell'elio. Una fonte di gas naturale deve contenere almeno lo 0,3% di elio per essere considerata una potenziale fonte di elio.

Risorse mondiali sull'elio
NazioneMiliardi di metri cubi
stati Uniti20.6
Qatar10.1
algeria8.2
Russia6.8
Canada2.0
Cina1.1
I valori sopra riportati sono risorse stimate dell'elio dai riassunti delle materie prime minerarie USGS. 3

Nel 2010, tutto il gas naturale trasformato in elio negli Stati Uniti proveniva da campi in Colorado, Kansas, Oklahoma, Texas, Utah e Wyoming, come mostrato nella mappa di accompagnamento. The Hugoton Field in Oklahoma, Kansas e Texas; il Panoma Field in Kansas; il campo di Keyes in Oklahoma; il Panhandle West e il Cliffside Fields in Texas e il Riley Ridge Field nel Wyoming rappresentano la maggior parte della produzione di elio negli Stati Uniti. 2

Nel corso del 2010, gli Stati Uniti hanno prodotto 128 milioni di metri cubi di elio. Di tale importo, 53 milioni di metri cubi di elio sono stati estratti dal gas naturale e 75 milioni di metri cubi sono stati ritirati dalla National Helium Reserve. Altri paesi con quantità di produzione conosciute erano: Algeria (18 mcm), Qatar (13 mcm), Russia (6 mcm) e Polonia (3 mcm). Canada e Cina hanno prodotto piccole quantità ma non dichiarate di elio. 3

Elio nelle macchine per risonanza magnetica: L'uso numero uno di elio è il raffreddamento dei magneti nelle macchine MRI (risonanza magnetica) utilizzate per diagnosticare malattie e lesioni nelle strutture mediche.

Un nuovo uso per l'elio: Il primo disco rigido sigillato con elio è stato prodotto nel 2013. Helium consente all'unità di utilizzare meno energia, produrre meno calore, fare meno rumore, occupare meno spazio, contenere più dati e produrre meno vibrazioni rispetto a un disco rigido standard. Per saperne di più. Foto

Usi di elio

L'elio ha una serie di proprietà che lo rendono eccezionalmente adatto per determinati usi. In alcuni di questi usi, l'elio è il miglior gas possibile da utilizzare e in alcuni non esiste un sostituto adeguato per l'elio. Di seguito sono descritti diversi usi dell'elio insieme alle proprietà che lo rendono adatto all'uso.

Risonanza magnetica

L'uso numero uno di elio è nelle macchine per la risonanza magnetica utilizzate nelle strutture mediche per valutare le lesioni e diagnosticare le malattie. Queste macchine utilizzano un campo magnetico prodotto da un magnete superconduttore. Questi magneti generano un'enorme quantità di calore. L'elio liquido è la sostanza refrigerante scelta per regolare la temperatura di questi magneti. Poiché l'elio ha il secondo calore specifico più basso di qualsiasi gas e il punto di ebollizione / fusione più basso di qualsiasi elemento, non è previsto un sostituto dell'elio in questo uso molto importante.

Gas di sollevamento

L'elio ha il secondo peso atomico più basso di qualsiasi elemento. Solo l'idrogeno ha un peso atomico inferiore. Come gas più leggero dell'aria, l'elio è stato usato come "gas di sollevamento" per dirigibili e palloni. Dirigibili, dirigibili, zeppelin, palloni antiaerei, palloni meteorologici e altre imbarcazioni più leggere dell'aria hanno usato l'elio come gas di sollevamento. È molto più sicuro dell'idrogeno perché non è infiammabile. Questa era la categoria più importante di elio fino alla fine della seconda guerra mondiale. Quantità molto più basse di elio sono ora utilizzate come gas di sollevamento.

Gas di spurgo: L'elio viene utilizzato dalla NASA e dal Dipartimento della Difesa per eliminare l'ossigeno liquido e l'idrogeno liquido dai serbatoi di carburante e dai sistemi di erogazione del carburante dei motori a razzo. L'elio è inerte e ha una temperatura di congelamento così bassa che rimane un gas durante il processo di spurgo. Un flusso di elio in questi sistemi è stato persino utilizzato durante le emergenze per estinguere gli incendi. Immagine della NASA.

Miscele respiratorie all'elio: L'elio viene utilizzato per preparare miscele di gas respiratori per immersioni in acque profonde. L'elio è inerte e ha una bassa viscosità sotto pressione che consente una respirazione più facile. Immagine di NOAA.

Gas di spurgo

L'elio ha il punto di fusione e di ebollizione più basso di qualsiasi gas. Si scioglie e bolle a temperature vicine allo zero assoluto. Poiché rimane un gas a temperature molto basse, può essere utilizzato come gas di spurgo per serbatoi di carburante e sistemi di erogazione di carburante che sono riempiti con liquidi molto freddi come idrogeno liquido e ossigeno liquido. Poiché è inerte e ha una bassa temperatura di congelamento, può spostare questi carburanti in modo sicuro senza congelamento. Grandi quantità di elio sono utilizzate dalla NASA e dal Dipartimento della Difesa per l'eliminazione dei sistemi di propulsione a razzo.

Produzione di atmosfera controllata

L'elio è un gas inerte. L'unico gas con una reattività inferiore è il neon. Questa bassa reattività rende l'elio un gas prezioso da utilizzare nei processi di produzione e riparazione quando è richiesta un'atmosfera inerte. L'elio ha anche la seconda densità più bassa di qualsiasi gas e una conducibilità termica molto elevata. Queste proprietà del gas elio lo rendono l'atmosfera ideale per molti processi metallurgici, coltivando cristalli perfetti nei vapori chimici, producendo fibre ottiche e altri usi.

Rilevazione di perdite

L'elio ha una viscosità molto bassa, un alto coefficiente di diffusione e l'atomo più piccolo di qualsiasi elemento. Queste caratteristiche rendono l'elio molto difficile da contenere. Se un sistema presenta una perdita, l'elio fuggirà. Il gas elio viene quindi utilizzato per testare eventuali perdite nei sistemi ad alto vuoto, nei sistemi di alimentazione e altri contenitori.

Miscele respiratorie

L'elio e altri gas inerti vengono utilizzati per preparare miscele respiratorie per immersioni in acque profonde e trattamenti medici. L'elio viene utilizzato qui perché è inerte, ha una viscosità molto bassa ed è più facile respirare sotto pressione rispetto a qualsiasi altro gas.

Gas di saldatura

L'elio viene utilizzato come atmosfera protettiva durante la saldatura. Un'atmosfera di gas inerte protegge i metalli caldi dall'ossidazione e altre reazioni che potrebbero verificarsi rapidamente alle alte temperature.

Usi di elio: Quantità relative di elio consumate da vari usi negli Stati Uniti nel 2011. Grafico utilizzando i dati di USGS.

Elio: una risorsa non rinnovabile

L'elio è un gas che si trova solo dove si verifica una coincidenza di situazioni improbabili. Sebbene sia continuamente prodotto dal decadimento minerale radioattivo nella crosta terrestre, il suo tasso di produzione e accumulo naturali è così lento che deve essere considerato una risorsa non rinnovabile.

Informazioni sull'elio
1 Elio nel New Mexico: Ronald F. Broadhead, Geologia del New Mexico, New Mexico Bureau of Geology and Mineral Resources, New Mexico Institute of Mining and Technology, novembre 2005.
2 Elio 2010: Joseph B. Peterson e Peter J. Madrid, Annuario dei minerali, United States Geological Survey, gennaio 2012.
3 Elio 2012: Peter J. Madrid, Sommari delle materie prime minerali, United States Geological Survey, gennaio 2012.
4 Vendere la riserva nazionale dell'elio: Comitato per la comprensione dell'impatto della vendita della riserva di elio, Consiglio nazionale delle ricerche, The National Academies Press, 2010.
5 Testimonianza sull'Helium Stewardship Act del 2013: Testimonianza dinanzi alla sottocommissione della Camera dei rappresentanti per l'energia e le risorse minerarie, Ufficio della responsabilità del governo degli Stati Uniti, GAO-15-734T, 8 luglio 2015.
6 I prezzi in rapido aumento dell'elio possono far scoppiare le vendite dei palloncini: Rachel Rodgers e Sharon Barricklow, un articolo della Decatur Herald-Review, febbraio 2015.

Gluts di elio e carenze di elio

Nel 1925 gli Stati Uniti istituirono la National Helium Reserve per servire come fornitura strategica di elio per l'uso in dirigibili e per altri scopi di difesa. A quel tempo il paese produceva molto più elio di quanto non fosse consumato. Dopo la seconda guerra mondiale la quantità di elio utilizzata come gas di sollevamento è diminuita, ma la domanda di elio come gas di spurgo durante il rifornimento di carburante di motori a razzo e come refrigerante nelle strutture di armi nucleari è aumentata. Tuttavia, veniva prodotto più elio che consumato.

Nel 1995, il Congresso decise che la National Helium Reserve non era essenziale e iniziò un programma per vendere l'elio come parte dell'Helium Privatization Act del 1996. 4 Per quasi due decenni il Congresso permise all'elio di essere venduto con un enorme sconto per liberare prezzi di mercato. Fino alla metà della domanda mondiale di elio era soddisfatta attraverso le vendite della National Helium Reserve. In alcuni anni più elio fu esportato dagli Stati Uniti in altri paesi di quanto non fosse consumato sul mercato interno. 2 Coloro che acquistarono elio dal governo ottennero un affare fantastico e quelli che acquistarono elio nel mercato libero pagarono un prezzo molto più alto.

Il dumping delle azioni della National Helium Reserve sul mercato ha depresso così tanto il prezzo dell'elio da essere usato come sostituto economico dell'argon e di altri gas che hanno una fornitura molto meno limitata.

Poiché la produzione commerciale di elio non è stata premiata o ampiamente utilizzata, il mercato è stato scarsamente fornito quando le vendite della National Helium Reserve sono state sostituite da un sistema di aste nel 2014. Nella prima asta, due offerenti hanno acquistato l'intera quota annuale di 93 milioni di piedi cubi di elio in più rispetto al doppio del prezzo di mercato dell'anno precedente. Dopo l'asta sono stati venduti altri 1 miliardo di piedi cubi agli stessi due offerenti. 5

Dalla prima asta, il prezzo dell'elio ha continuato a salire perché la produzione di nuovo elio è inferiore ai consumi. L'aumento dei prezzi ha innescato investimenti in nuovi impianti di lavorazione dell'elio. Tuttavia, l'elio può essere prodotto solo da campi di gas naturale con sale o anidrato come roccia trappola. Questi si verificano solo in alcune parti del mondo.

Secondo la legge attuale, la National Helium Reserve sarà esaurita entro il 2021. Si spera che i crescenti investimenti in impianti di recupero dell'elio saranno adeguati per soddisfare le esigenze dei consumatori di elio quando questa importante fonte di elio sarà esaurita.