Les consommateurs américains d’hélium liquide donnent de la voix

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Le 6 octobre dernier, la Société américaine de physique (American Physical Society, APS), la Société américaine de chimie (American Chemical Society, ACS), et la Société de recherche sur les Matériaux (Materials Research Society, MRS) ont publié un rapport exposant les problèmes auxquels sont confrontés les chercheurs qui utilisent l’hélium liquide et alertent sur l’impact négatif que ces problèmes peuvent avoir sur l’innovation américaine. [1]

Le rapport contient cinq recommandations spécifiques destinées à maintenir la disponibilité immédiate de l’hélium et à assurer la vitalité de la recherche américaine dans le domaine des basses températures [2]. Les mesures recommandées visent à faciliter la conservation de l’hélium et à faire en sorte que les chercheurs financés par le gouvernement fédéral aient accès à un approvisionnement stable en hélium liquide et à des prix raisonnables sur le long terme.

L’hélium est une ressource irremplaçable et non renouvelable

Ressources

L’hélium est un élément naturel découvert en 1868 par l’astronome français Jules Janssen lors de l’observation d’une nouvelle raie dans le spectre du rayonnement solaire [3]. Après l’hydrogène, l’hélium est l’élément le plus abondant de l’Univers dont l’essentiel a été produit lors de la nucléosynthèse primordiale issue du Big Bang.

Sur Terre, l’hélium est produit naturellement par la désintégration radioactive des éléments lourds dans la croûte terrestre via la radioactivité α. L’hélium étant plus léger que l’air, une très grande partie s’échappe de la surface du globe vers la haute atmosphère et finit par se perdre dans l’espace. Une petite proportion d’hélium reste piégée dans des gisements de gaz naturel, emprisonnée dans des couches de roches imperméables. Cependant, l’hélium s’accumule dans la croûte terrestre très lentement et l’extraction à partir du gaz naturel devient rentable seulement si le gaz contient une concentration suffisamment élevée d’hélium.

Aujourd’hui l’hélium est donc obtenu comme co-produit des gisements de gaz naturel avec des concentrations en volume variant de quelques ppm (parties par million) à quelques pourcents ; incidemment, les plus grands producteurs d’hélium sont les pays riches en gaz naturel. Jusqu’en 2013, les Etats-Unis étaient de loin le plus gros producteur (80%) suivis par l’Algérie (10%), la Russie et la Pologne. Depuis 2013, Air Liquide a fait construire une unité géante au Qatar (58 Mm3 par an) pour les sociétés Ras Gas et Exxon, faisant du pays le deuxième producteur mondial fournissant à lui seul 25% de la production mondiale [4]. S’il est principalement tiré du gaz naturel, l’hélium n’est généralement pas présent dans les ressources de gaz de schiste exploitées aux Etats-Unis ; les schistes qui ont leurs espaces poreux bouchés avec des matières organiques (kérogène) sont parfois trop perméables [5].

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Teneur en hélium des principaux champs de gaz aux Etats-Unis. Seul un petit nombre de champs contiennent la concentration minimale (> 0,3%) d’hélium nécessaire à une extraction rentable. Carte fournie par le Bureau of Land Management.

Les ressources mondiales d’hélium totalisent près de 50 Gm3 selon une estimation du Bureau of Land Management des États-Unis. Aujourd’hui, les États-Unis couvrent un tiers de l’offre mondiale. L’essentiel de la production américaine provient de stocks historiques constitués durant la Guerre froide au sein d’une formation rocheuse naturelle, le Bush Dome, localisée dans les réserves fédérales souterraines d’Amarillo (Texas). Depuis 1996, l’administration écoule ces stocks stratégiques [6], si bien que ces réserves s’amenuisent considérablement au point que les États-Unis pourraient cesser de vendre leur hélium dès 2021. D’où la nécessité de trouver de nouveaux approvisionnements.

Utilisations

A température et pression ambiantes, ce gaz chimiquement inerte ne sert pas qu’à gonfler des ballons de baudruche ou à parler avec une voix étrange quand on l’inhale. Il s’agit là de volumes marginaux sur le marché. En revanche, l’hélium a d’importantes applications dans l’industrie où il sert principalement à la création d’atmosphère inerte pour des procédés de fabrication de haute technologie (métallurgie, semi-conducteurs, fibres optiques, écrans à cristaux liquides, etc.) ; mais aussi à la détection de fuite par spectrométrie d’hélium, à la soudure/découpe (en tant que gaz protecteur), et aux applications spatiales, notamment pour la pressurisation par un gaz inerte des réservoirs d’oxygène et d’hydrogène liquides des lanceurs [7]. A l’avenir, l’hélium pourrait aussi être de nouveau utilisé de manière massive dans le transport si les projets de « stratollites » [8] et de dirigeables actuellement à l’étude venaient à voir le jour (World View aux Etats-Unis, SAFE Cluster en France, LTA Aérostructures au Canada ou encore Hybrid Air Vehicles [9] au Royaume-Uni).

Une autre application importante de l’hélium concerne la cryogénie (production du froid) lorsque le gaz se trouve à l’état liquide (-269°C). A ce titre, l’hélium liquide est utilisé dans les circuits de refroidissement du nucléaire et dans le fonctionnement des aimants supraconducteurs très puissants, compacts à faible consommation d’énergie. On retrouve ces derniers dans un grand nombre d’appareillages scientifiques ultrasensibles et ultra-performants tels que les accélérateurs de particules, comme le LHC à Genève, les réacteurs de fusion nucléaire, comme ITER, ou bien les appareils d’IRM (imagerie par résonance magnétique nucléaire) et les MEG (magnéto-encéphalographes). La demande en hélium pour le secteur médical est en constante augmentation du fait de l’équipement de plus en plus rapide des pays émergents ; elle représente actuellement un quart de la consommation mondiale (57 Mm3 sur les 220 Mm3 consommés) [10].

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Répartition de la consommation mondiale d’hélium par secteurs d’activités. En 2015, la demande mondiale a été estimée à 170 Mm3. Données fournies par Intelligas Consulting.

Selon les secteurs d’exploitation, les conséquences d’une pénurie d’hélium peuvent varier. Dans les applications à température ambiante, l’emploi de gaz de substitution se traduirait par un surcoût. Les applications de pointe, telles que les lasers hélium-néon ou bien la production de fibres optiques seraient peu impactées du fait des faibles volumes mis en jeu. En revanche, le rapport souligne qu’il n’existe aucun autre moyen d’atteindre les températures extrêmement basses nécessaires pour certains domaines de recherche.

Les prix élevés et les pénuries ont eu des effets négatifs sur la recherche

Selon ce rapport, au cours des dernières années, la communauté de la recherche a été confrontée à des prix instables et croissants de l’hélium liquide ainsi qu’à des manques d’approvisionnement. Le prix de l’hélium brut a augmenté de 60 % depuis octobre 2009, avec des hausses de prix à la revente pouvant atteindre plus de 250 %. Le rapport note également que le milieu de la recherche est particulièrement exposé à la volatilité des prix et aux pénuries d’approvisionnement puisqu’il n’a pas le même pouvoir d’achat que les autres utilisateurs d’hélium qui composent un segment plus important du marché. En 2015, seulement 6 % de l’utilisation mondiale de l’hélium était destiné aux applications scientifiques et techniques. Les chercheurs ne représentent donc qu’un faible pourcentage de l’utilisation annuelle d’hélium dans le monde et, si rien n’est fait, continueront d’être à la merci du prix du marché déterminé par les négociations entre les grands utilisateurs de l’industrie et les principaux fournisseurs.

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Graphe extrait du rapport illustrant la forte augmentation des prix de l’hélium brut et de l’hélium prêt à l’emploi ces dernières années. (Crédit d’image - APS, ACS et MRS)

Le rapport décrit les effets des hausses de prix sur la recherche financée par une agence fédérale telle que la Division de la recherche sur les matériaux (Division of Materials Research - DMR) de la National Science Foundation (NSF). Au milieu des années 2000, les chercheurs menant des recherches à basse température soutenues par la DMR dépensaient en hélium environ 15 000 USD ,soit environ 10% de leurs subventions, chaque année. À compter de 2015, certains dépensaient plus de 40 000 USD par an en hélium, alors que la moyenne des subventions de la DMR n’a augmenté que d’environ 10 000 USD. Cette situation a obligé certains chercheurs à renoncer à embaucher des étudiants, voire à ne pas verser leurs propres salaires afin de subvenir aux dépenses d’hélium. D’autres ont complètement abandonné les domaines de recherche qui exigent de l’hélium liquide face à l’impossibilité de prédire son coût et son calendrier de livraison.

L’APS et l’ACS ont déjà agi pour aider les chercheurs financés par le gouvernement fédéral à faire face à ces défis, avec l’instauration du Liquid Helium Purchasing Program établi en partenariat avec la Defense Logistics Agency. Cette agence agit comme un courtier en hélium pour les universités inscrites au programme, augmentant leur capacité à négocier des contrats avec des prix plus bas et des dates de livraison plus fiables. Cependant, les sociétés auteurs du rapport notent que ce n’est là qu’un moyen à court terme d’atténuer le problème et soulignent que la préservation de l’hélium est essentielle pour protéger les chercheurs contre les hausses de prix et les pénuries d’approvisionnement à long terme.

Investir dans des équipements de conservation pour répondre à la demande sur le long terme

Les équipements de recyclage de l’hélium liquide, comme les cryostats et les liquéfacteurs à cycle fermé, peuvent contribuer à réduire jusqu’à 95% la demande annuelle d’hélium par des chercheurs et peuvent être rentables en quelques années pour certains utilisateurs. Cependant, la plupart des chercheurs universitaires ne disposent pas des fonds nécessaires pour acheter ces systèmes pouvant coûter plus de 100.000 USD et sont donc contraints à acheter l’hélium au fur et à mesure de leurs besoins. Or beaucoup de chercheurs estiment que leurs dépenses en hélium ne devraient pas constituer une part aussi importante des financements issus, après tout, des impôts des contribuables.

Le rapport note qu’un organisme fédéral a déjà aidé les chercheurs à s’équiper systèmes de conservation. Depuis 2014, la DMR de la NSF alloue environ 2 millions USD chaque année à une poignée de chercheurs éligibles à l’achat de liquéfacteurs d’hélium de petites tailles. Néanmoins, à ce rythme il faudra environ 15 ans pour équiper tous les chercheurs concernés. Cela reste donc insuffisant, sans compter que les chercheurs financés par la DMR ne représentent qu’une fraction des chercheurs qui utilisent de l’hélium liquide et qu’aucun autre organisme fédéral ne semble avoir mis en œuvre des stratégies ou des programmes officiels pour encourager la conservation de l’hélium.

En conséquence, le Bureau des politiques scientifiques et technologiques de la Maison Blanche et le Bureau de la gestion et du budget sont priés par les sociétés savantes auteurs du rapport de demander aux agences qui utilisent, ou soutiennent l’utilisation de l’hélium, de formuler des plans de conservation et d’examiner l’approche adoptée par le DMR. De plus les sociétés savantes recommandent au Congrès d’utiliser une partie des bénéfices des ventes d’hélium brut de la Réserve fédérale pour financer les investissements en équipement susceptibles de réduire la consommation d’hélium des chercheurs universitaires. Actuellement, ces ventes génèrent environ 430 000 USD par jour, lesquels sont déposés dans le Fonds général du Trésor des Etats-Unis.

Outre le rapport, les sociétés savantes américaines ont lancé un site internet destiné à aider les chercheurs universitaires à déterminer si, compte tenu des coûts en hélium, des exigences scientifiques et de l’infrastructure existante, il est financièrement avantageux de faire un investissement en équipement pour réduire leur consommation d’hélium. Ce site internet devrait également faciliter les interactions entre les communautés internationales de chercheurs et de fabricants de liquéfacteurs et de recycleurs d’hélium.

Mieux gérer les intérêts fédéraux dans la vente des stocks de la Réserve fédérale d’hélium

La Federal Helium Reserve est une réserve stratégique d’hélium établie par le gouvernement des États-Unis en 1960 et aujourd’hui gérée par le Bureau of Land Management (BLM). En 1996, le gouvernement américain a décidé qu’il n’était plus nécessaire de maintenir cette réserve et a enclenché un processus visant à vendre la totalité de la réserve par le Helium Privatisation Act, renforcé en 2013 par le Helium Stewardship Act. Selon la loi actuelle, la réserve doit fermer en septembre 2021 au plus tard [11].

Les sociétés déplorent cette décision dans le rapport. Cependant, elles ne recommandent pas au gouvernement de revenir sur sa décision de sortir du marché de l’hélium. Au lieu de cela, elles recommandent de veiller à ce que les chercheurs financés par le gouvernement fédéral aient un accès prioritaire à certaines ventes d’hélium.

Le Helium Privatisation Act de 1996 a mis en œuvre le "in-kind program", qui permet aux agences fédérales d’acheter indirectement de l’hélium du BLM en achetant de l’hélium raffiné à un fournisseur fédéral autorisé. Le fournisseur est alors sous contrat pour acheter une quantité équivalente d’hélium brut provenant du BLM. Le "in-kind program" oblige les fournisseurs fédéraux à donner la priorité aux agences fédérales et à leurs sous-traitants par rapport aux utilisateurs non gouvernementaux. Par ailleurs, le prix de l’hélium "in kind" peut être inférieur au prix du marché libre ; actuellement le BLM fixe le prix de l’hélium brut "in kind" à 80 % du prix du marché libre.

Cependant, tous les utilisateurs fédéraux d’hélium n’ont pas pu bénéficier de ce programme. Tout d’abord parce que pour être éligible au "in-kind program" il faut justifier d’un besoin en hélium d’environ 7500 litres par an, ce que les chercheurs peu consommateurs d’hélium, dénommés "petits chercheurs", ne respectent pas pour la plupart. Ensuite, parce que le BLM distinguait les utilisateurs d’hélium sous contrat avec une agence fédérale et les utilisateurs d’hélium pris en charge par des subventions fédérales. Les sous-traitants étaient admissibles au "in-kind program" tandis que les bénéficiaires de subventions ne l’étaient pas.

Ainsi, le rapport des Académies Nationales de 2010, "Selling the Nation’s Helium Reserve", a reconnu que les "petits chercheurs" - souvent situés dans les "colleges" et les universités - étaient impactés de manière disproportionnée par les hausses des prix de l’hélium et les pénuries. Le BLM a indiqué qu’il croyait que les chercheurs financés par des subventions fédérales étaient éligibles au "in-kind program". Cependant, les règles d’éligibilité au "in-kind program" restent peu claires et la plupart des chercheurs universitaires ne sont pas au courant de leur éligibilité.

Les sociétés savantes américaines demandent donc au BLM de clarifier et de diffuser ses règlements concernant le "in-kind program" pour expliquer aux chercheurs bénéficiaires de subventions fédérales qu’ils sont éligibles à ce programme. De plus, elles préconisent que le volume seuil de 7500 litres soit supprimé pour ce type de bénéficiaires.

Afin de conserver les avantages du "in-kind program" qui s’arrêtera à l’épuisement des stocks de la réserve fédérale d’ici 2021, un nouveau programme devra être créé. Le rapport recommande au BLM d’établir un programme équivalent qui s’appliquerait à l’hélium extrait des réserves de gaz issues du territoire fédéral.

Conclusion

A travers différents secteurs d’activité, la consommation d’hélium est en forte croissance. Alors que la production industrielle avait diminué pour des raisons conjoncturelles et que sa raréfaction devenait inquiétante, la pénurie qui menaçait au début des années 2000 semble réellement s’estomper [12]. Les grands acteurs industriels ayant pris conscience de la valeur de ce marché en croissance de 2-3% par an, le retour des investisseurs a permis d’assurer une production mondiale suffisante à un coût honnête, actuellement autour de 3,8 USD le mètre cube [13]. En 2016, le marché mondial est ainsi entré dans une période de surproduction en raison d’une utilisation plus économe et une mise sur le marché plus importante aux États-Unis, au Qatar et en Russie. Ajoutons qu’un énorme gisement d’hélium vient d’être trouvé en Tanzanie [14] [15] [16].

Néanmoins il convient de rester prudent sur les prédictions de l’accessibilité à l’hélium, surtout pour les petits consommateurs comme les chercheurs académiques qui ont vu les prix s’envoler depuis une dizaine d’années. Rappelons qu’en 2012-2013 les prix avaient flambé en raison de difficultés de la réserve fédérale d’hélium américaine, dont l’avenir était compromis. A l’époque, la crainte d’une pénurie était telle que le parc Disneyland de Tokyo avait banni les ballons gonflables. Ce rapport rédigé par les sociétés savantes américaines vise à protéger les chercheurs qui sont en première ligne quand il s’agit de subir les caprices des coûts et taux de productions d’hélium liquide. Il a pour but de raisonner à long terme et surtout au-delà de 2021, quand la réserve d’hélium fédérale aura définitivement fermé ses portes, en incitant le Congrès et l’exécutif à prendre des mesures appropriées, facilitant l’accès aux stocks d’hélium fédéraux et prévoyant des financements d’équipements de recyclage.


Pour en savoir plus sur les pénuries d’éléments chimiques :
- https://www.france-science.org/Quand-des-elements-manquent-a-la.html

Pour en savoir plus sur l’hélium et ses utilisations :
- http://neel.cnrs.fr/IMG/pdf/Reflets_39_pdf_19-21.pdf
- http://geology.com/articles/helium/

Rédacteur :
- Robin Faideau, Attaché adjoint pour la science et la technologie, deputy-phys@ambascience-usa.org