Heliumproduktion in den Vereinigten Staaten

Die Heliumproduktion in den Vereinigten Staaten belief sich 2014 auf insgesamt 73 Millionen Kubikmeter. Die USA waren der weltweit größte Heliumproduzent und deckten 40 Prozent des Weltbedarfs. Zusätzlich verkaufte die US-Bundesregierung 30 Millionen Kubikmeter aus ihren Lagerbeständen. Weitere bedeutende Heliumproduzenten waren Algerien und Katar .

Das gesamte kommerziell genutzte Helium wird aus Erdgas gewonnen . Helium macht normalerweise nur einen winzigen Anteil von Erdgas aus, kann aber in einigen Feldern bis zu 10 Prozent des Erdgasanteils erreichen. Ein Heliumgehalt von mindestens 0,3 Prozent gilt als Voraussetzung für die kommerzielle Heliumgewinnung. ^{[ 1 ]} Im Jahr 2012 wurde Helium in 16 Extraktionsanlagen aus Erdgasquellen in Colorado , Kansas , Oklahoma , Texas und Wyoming gewonnen . Eine Extraktionsanlage in Utah war 2012 außer Betrieb.

Im Jahr 1903 förderte eine Erdölbohrung in Dexter, Kansas , ein nicht brennbares Gas. Der Geologe des Bundesstaates Kansas, Erasmus Haworth, brachte Proben des Gases zur Universität von Kansas in Lawrence , wo die Chemiker Hamilton Cady und David McFarland feststellten, dass es 1,84 Prozent Helium enthielt. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} Dies führte zu weiteren Entdeckungen von heliumhaltigem Erdgas in Kansas.

Das Militär interessierte sich für Helium für Ballons und Luftschiffe . Die US-Armee errichtete 1915 in Petrolia, Texas , die erste Heliumgewinnungsanlage. Dort befand sich ein großes Erdgasfeld mit einem durchschnittlichen Heliumgehalt von fast einem Prozent. ^{[ 6 ]} Die US-Marine errichtete während des Ersten Weltkriegs drei experimentelle Heliumanlagen , um genügend Helium für Sperrballons zu gewinnen . Zwei dieser Anlagen lagen nördlich von Fort Worth, Texas , und gewannen Helium aus Erdgas, das vom Erdölfeld Petrolia im Clay County, Texas , über eine Pipeline zugeführt wurde . ^{[ 7 ]}

Der Mineral Leasing Act von 1920 , der die Verpachtung von Öl- und Gasvorkommen auf Bundesland regelte, sicherte der Regierung das gesamte im Erdgas auf Bundesland enthaltene Helium. ^{[ 8 ]} Darauf folgte der Helium Act von 1925 , der den Export von Helium, einem „Mineralstoff der nationalen Verteidigung“, verbot. ^{[ 9 ]} Nach dem Verlust der USS  Akron 1933 und der USS  Macon 1935 ging der militärische Einsatz von Helium jedoch deutlich zurück. 1936 wurde ein Pachtvertrag mit der Goodyear-Zeppelin Corporation geschlossen , der Helium für die zivile Luftfahrt bereitstellte. 1937 änderte der Kongress den Helium Act, um den Verkauf von Helium zu ermöglichen, das über den Bedarf der US-Regierung hinaus produziert wurde. ^{[ 10 ]} Der größte potenzielle Abnehmer war jedoch Nazi-Deutschland , das den für die Hindenburg- Katastrophe verantwortlichen Wasserstoff durch nicht brennbares Helium ersetzen wollte . Ein Vertrag über 18 Millionen Kubikfuß (510.000 m³ ⁾ Helium wurde genehmigt, doch Innenminister Harold Ickes blockierte den Export des Gases aufgrund seines militärischen Einsatzpotenzials. ^{[ 11 ]}

Während des Zweiten Weltkriegs stieg der militärische Bedarf an Helium, weshalb die US-Regierung mehrere neue Heliumgewinnungsanlagen errichtete. Eine dieser Anlagen befand sich in Shiprock, New Mexico , um Helium aus dem Gas des Rattlesnake-Feldes zu gewinnen. Das Gas des Rattlesnake-Feldes enthielt, wie auch das Gas einiger anderer Felder im Four-Corners -Gebiet, hauptsächlich Stickstoff und nur sehr wenige Kohlenwasserstoffe und wurde ausschließlich zur Heliumgewinnung gefördert. ^{[ 12 ]}

Die Heliumgesetzänderungen von 1960 ( Pub. L.  86–777 ) ermächtigten das US-Bergbauamt, fünf private Anlagen zur Heliumgewinnung aus Erdgas zu errichten. Das Amt baute außerdem eine 684 km lange Pipeline von Bushton, Kansas , um diese Anlagen mit dem teilweise erschöpften staatlichen Gasfeld Cliffside nahe Amarillo, Texas , zu verbinden . Das Rohhelium (50 bis 80 Prozent Helium) wurde im Gasfeld Cliffside injiziert und bis zum Bedarf gelagert, bevor es weiter aufgereinigt wurde. ^{[ 13 ]}

Bis 1995 waren eine Milliarde Kubikmeter Heliumgas eingelagert worden, doch die Reserve war mit 1,4 Milliarden US-Dollar verschuldet, was den US-Kongress 1996 veranlasste, die Reserve schrittweise abzubauen. ^{[ 14 ]} Das daraufhin erlassene Helium-Privatisierungsgesetz von 1996 (Public Law 104–273) ^{[ 15 ]} wies das US-Innenministerium an , die Reserve zu leeren. ^{[ 16 ]} Der Verkauf an die Regierung und staatliche Auftragnehmer begann 1998. Der Verkauf auf dem freien Markt begann 2003. Mit dem Verkaufsprogramm wurden die Schulden getilgt; das Programm endete 2024. ^{[ 17 ]}

Die gesamte kommerzielle Heliumproduktion basiert auf Erdgas . Es gibt zwei grundlegende Arten von kommerziellen Heliumvorkommen: Erdgas, das primär wegen seines Kohlenwasserstoffgehalts gefördert wird und typischerweise weniger als 3 Prozent Helium enthält, und Erdgas mit geringem oder keinem Kohlenwasserstoffgehalt, das ausschließlich wegen des Heliums gefördert wird, welches typischerweise 5 bis 10 Prozent des Gases ausmacht. Obwohl Erdgas, bei dem Helium nur ein Nebenprodukt ist, einen deutlich geringeren Heliumanteil aufweist, lieferte es historisch gesehen den größten Teil des Heliums.

Die meisten Geologen gehen davon aus, dass der Großteil des Heliums im Erdgas aus dem radioaktiven Zerfall von Uran und Thorium stammt , entweder aus radioaktiven Schwarzschiefern oder aus granitoidem Grundgestein . Granit und verwandte Gesteine ​​enthalten tendenziell mehr Uran und Thorium als andere Gesteinsarten. Einige vertreten jedoch die Ansicht, dass das Helium größtenteils ursprünglichen Ursprungs ist.

Für wirtschaftlich relevante Heliumkonzentrationen in Erdgas gelten ungewöhnliche geologische Bedingungen als notwendig. Heliumvorkommen finden sich häufig in tektonischen Abschlüssen über Gesteinshochlagen. Verwerfungen, Klüfte und magmatische Intrusionen werden von einigen Geologen als wichtige Wege für die Heliummigration in die Sedimentschichten betrachtet. Der Atomradius von Helium ist so klein, dass Schiefer, der Methan effektiv bindet, die Migration von Helium durch die Poren des Schiefers ermöglicht. Nichtporöse Deckgesteine ​​wie Halit (Steinsalz) oder Anhydrit binden Helium noch effektiver. Heliumlagerstätten kommen hauptsächlich in paläozoischen Gesteinen vor.

Ein hoher Heliumgehalt in Erdgas geht mit einem hohen Stickstoff- und Kohlendioxidgehalt einher . Der Stickstoffanteil ist üblicherweise 10- bis 20-mal so hoch wie der Heliumanteil, sodass Erdgas mit 5 Prozent oder mehr Helium wenig bis gar kein Methan enthalten kann. Eine repräsentative Probe aus dem Pinta Dome in Apache County, Arizona , weist beispielsweise 8,3 Prozent Helium, 89,9 Prozent Stickstoff, 1 Prozent Kohlendioxid und nur 0,1 Prozent Methan auf. In solchen Fällen wird das Gas ausschließlich wegen seines Heliumgehalts gefördert. ^{[ 18 ]}

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts stammten die größten bekannten Heliumvorkommen aus Gasen, die aufgrund ihres Kohlenwasserstoffgehalts gefördert wurden. Zu den wichtigsten dieser Felder zählten Hugoton , Panhandle, Greenwood und Keyes im Westen von Kansas sowie in den Panhandles von Oklahoma und Texas. Die Felder Hugoton und Panhandle sind besonders groß und erstrecken sich über Tausende von Quadratkilometern. Der Heliumgehalt des Gases variiert innerhalb einiger Felder stark. Im Panhandle-Feld ist der Heliumgehalt am südwestlichen Rand, der hangaufwärts abfällt, mit bis zu 1,3 Prozent oder mehr am höchsten und am nordöstlichen Rand mit 0,1 Prozent am niedrigsten. ^{[ 19 ]}

Im Jahr 2003 verfügten die Erdgasfelder der Great Plains in Colorado, Kansas, Oklahoma und Texas noch über bedeutende Reserven, aber von den insgesamt gemessenen Heliumreserven in den USA von 100 Milliarden Kubikfuß (2,8 Milliarden Kubikmeter) befanden sich 61 Milliarden Kubikfuß (1,7 Milliarden Kubikmeter) im Riley-Ridge-Feld im Westen Wyomings, einem Gasvorkommen, das aufgrund seines Kohlendioxidgehalts gefördert wurde. ^{[ 20 ]}

Die Four Corners Region im Südwesten der USA beherbergt mehrere Gasfelder mit einem Heliumgehalt von 5 bis 10 Prozent und einem hohen Stickstoffanteil, jedoch mit geringen oder gar keinen Kohlenwasserstoffen. Die Felder sind mit magmatischen Intrusionen verbunden. Ein Feld, Dineh-bi-Keyah in Arizona, förderte Öl aus einem zerklüfteten Lagergang . Die anderen Felder weisen keine Erdölvorkommen auf.

Heliumreiche Gasfelder in den Vereinigten Staaten

Helium wird in zwei Spezifikationen vermarktet: Rohhelium, das typischerweise 75 bis 80 Prozent Helium enthält, und Helium der Güteklasse A, das zu 99,995 Prozent rein ist.

In den zehn Jahren nach den Änderungen des Heliumgesetzes von 1960 wurde im Cliffside-Feld eine große Menge Helium unterirdisch gelagert. In den letzten Jahren hat die Reserve ihr Helium systematisch verkauft. Im Jahr 2012 umfasste die nationale Heliumreserve der Vereinigten Staaten noch 30 Prozent der weltweiten Heliumvorräte. ^{[ 25 ]} Es wurde erwartet, dass die Reserve im Jahr 2018 erschöpft sein würde. ^{[ 25 ]}

Zum 1. Oktober 2023 verfügte die US-Regierung über 1.855.115 Tausend Kubikfuß (52.531,0 Tausend Kubikmeter) Helium in Bundesbesitz und 1.491.079 Tausend Kubikfuß (42.222,7 Tausend Kubikmeter) Helium in Privatbesitz. ^{[ 26 ]}

Die Vereinigten Staaten sind ein bedeutender Exporteur von Helium.

Viele Jahre lang produzierten die Vereinigten Staaten über 90 % des weltweiten kommerziellen Heliums. Mitte der 1990er-Jahre nahm ein neues Werk in Arzew , Algerien, die Produktion ^{von 17} × 10⁶ Kubikmetern (6,0 × 10⁸ ^Kubikfuß  ) auf – genug, um den gesamten europäischen Bedarf zu decken. ^{[ 27 ]} In den Jahren 2004–2006 wurden zwei weitere Werke errichtet, eines in Ras Laffan , Katar , und das andere in Skikda , Algerien. Algerien avancierte damit zum zweitgrößten Heliumproduzenten. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

Im August 2014 versteigerte das Bureau of Land Management Rohhelium aus der nationalen Reserve zu einem Durchschnittspreis von 104 US-Dollar pro tausend Kubikfuß Heliumgehalt. ^{[ 30 ]} Helium der Güteklasse A wurde 2014 für etwa 200 US-Dollar pro tausend Kubikfuß bzw. 7,21 US-Dollar pro Kubikmeter verkauft. Bis 2024 sollten alle Heliumreserven der Reserve verkauft sein. ^{[ 17 ]}

• Commonwealth Fusion Systems – ein Fusionskraftwerk, das in den 2030er Jahren in Virginia gebaut werden soll und Helium als Nebenprodukt produzieren wird