Wissenswertes über Helium  - Einführung

Wissenswertes über Helium - Einführung

Unter normalen oder „Standard-“ Bedingungen (1 bar, Raumtemperatur) dehnt sich 1 Liter flüssiges Helium zu 750 Litern Heliumgas aus, wenn es den Siedepunkt von 4,2 K erreicht. Der Lamdapunkt, an dem flüssiges Helium superfluid wird, liegt bei 2,2 K. Die Dichte von flüssigem Helium bei 1 bar und 4,2 K ist 0,125 kg/l.

Weitere Informationen

Helium Rückgewinnung und Verflüssigung

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Das Bild zeigt die Änderung des Volumens von Helium bei verschiedenen Drücken und Temperaturen in unterschiedlichen Behältern: eine typische 50-Liter-Gasflasche, ein Gasbeutel mit 10 m³ Volumen (entspricht 10.000 Litern) und einem Transport-Dewar mit 100 Liter Volumen, der mit nur 12,5 Litern flüssigem Helium gefüllt ist.


Was macht Helium so einzigartig?

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  • Auf der Erde relativ selten, aber nach Wasserstoff das am häufigsten vorkommende Element im Universum.
  • Es entsteht in der Erdkruste als Ergebnis von radioaktivem Zerfall von He2+ .
  • Der Großteil des irdischen Heliumaufkommens findet sich in Erdgas: zwischen 0,3 und 2,7 %.
  • Es gibt zwei stabile Isotope: 4He und 3He.
  • Der Name leitet sich vom griechischen Wort für Sonne ab: Helios.

Typische Anwendungen

  • Helium-Sauerstoff-Gemische (80:20) in der Medizin
  • Atemgase für professionelles Tauchen (z. B. Trimix; Heliox)
  • Lebensmittelindustrie (E939)
  • Helium-Ballons
  • Schweißen
  • Schutzgas
  • Trägergase für Gas-Chromatographie
  • Lecksuche
  • Laser (He-Ne Laser, He-Cd Laser)
  • Druckgas statt Luft in der Formel 1
  • Kryotechnik

Helium-Verbrauch

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Relative Mengen Helium in unterschiedlichen Anwendungen in den USA in 2011. Die Grafik stammt aus Geology.com und verwendet Daten der US Geological Survey USGS. Sie zeigt, dass ca. ein Drittel des Heliums in den USA in kryogener Form verbraucht wurde, z. B. als flüssiges Helium um in Bereiche bis 4,2 K und darunter zu kühlen.

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Weltweiter Heliumverbrauch in Millionen Kubikmeter (Quelle)


Warum Helium rückgewinnen?

Helium ist das am häufigsten vorkommende Element im Weltraum. Auf der Erde findet man es nur in geringen Anteilen in einigen Erdgasablagerungen. Sobald es in Luft freigesetzt wird, diffundiert es mit der Stratosphäre und kann nicht mehr verwendet werden.

Das Rückgewinnen von Helium hat folgende Vorteile:

Es spart Kosten - Die laufenden Kosten einer Rückgewinnungsanlage sind deutlich geringer als der Kauf von Flüssighelium.

Es macht unabhängig von externen Lieferanten - Helium ist jederzeit vor Ort verfügbar.

Es erlaubt Qualitätskontrolle – Das verwendete Helium ist von gleichbleibender Qualität. Verunreinigungen mit Sauerstoff können damit ausgeschlossen werden.

Es ist umweltfreundlich – die endliche Ressource Helium wird geschont.


Helium-Rückgewinnung Berechnungs-Tool

Wenn Sie im Vorfeld wissen, welche Mengen Helium Sie rückgewinnen wollen, können Sie das Maximum aus Ihrem Verflüssigungssystem herausholen. Unser Tool gibt Ihnen eine erste Idee davon, welche Rückgewinnung bei Ihren speziellen Voraussetzungen sinnvoll sein könnte. Um die maximale Systemkonfiguration zu ermitteln, die Sie brauchen, geben Sie einfach die Menge an Flüssighelium in Litern (LHe) an, die Sie maximal transferieren. Dann geben Sie die Verluste pro Transfer in Litern an. Diese variieren typischerweise zwischen 20 – 30% des gesamten Transfervolumens.

Helium-Rückgewinnung Berechnungs-Tool

Um eine gute Einschätzung Ihres Bedarfs zu bekommen, muss auch die Zeit angeben werden, die benötigt wird, um Ihre Kryostate mit Flüssighelium zu befüllen (Transferzeit), und die Menge an Flüssighelium, die Sie als Gas in Ihrer Rückgewinnungsanlage speichern möchten. Als Ergebnis wird Ihnen eine Zahl angezeigt, die der Anzahl der empfohlenen Gastanks entspricht. Die Tanks haben eine Kapazität von 1000 Litern und werden jeweils mit bis zu 5 bar Druck gefüllt.

Bei einem Wert über 5 empfehlen wir eine Hochdruck-Rückgewinnung (HPR) zu verwenden, da ein MPR mit mittlerem Druck deutlich höhere Platzanforderungen hätte. Falls ein HPR nicht gewünscht ist, empfehlen wir, geringere Mengen Flüssighelium in Gasform zu speichern.

Wenn der Heliumgas-Verlust mit einer negativen Zahl angegeben wird, kann er als echter Verlust angesehen werden. Ein positiver Wert bedeutet, dass das Gas aufgefangen werden kann, wenn die Anzahl an Gastanks gleich oder höher ist als die Anzahl der berechneten Gastanks.

Für die Hochdruck-Rückgewinnungsanlage werden folgende Werte berechnet: die Größe des Gasbeutels in Kubikmetern und die Anzahl der 50-Liter-Gasflaschen (befüllt mit 200 bar Druck).
Dieses Tool gibt Ihnen eine erste Übersicht darüber, welches Rückgewinnungssystem für Ihre Anforderung in Frage kommen kann. Bitte kontaktieren Sie uns für Details und Informationen zum Setup.

Return On Investment Tool

Das Return on Investment (ROI) Tool hilft Ihnen zu bestimmen, ab wann sich die Anschaffung einer Rückgewinnungsanlage neben Aspekten wie Liefersicherheit und Nachhaltigkeit auch finanziell für Sie lohnt.

Das Tool berechnet die Kosten, die Ihnen bei der Heliumrückgewinnung entstehen für alle drei Rückgewinnungsarten: Direkte Rückgewinnung (DR), Mitteldruck- (MPR) und Hochdruck-Rückgewinnung (HPR).

Return On Investment Tool

Basierend auf dem spezifischen Energieverbrauch der beteiligten Geräte und deren geschätzten Laufzeiten in den unterschiedlichen Konfigurationen werden die Energiekosten in EUR pro Jahr berechnet. Die Wartungskosten sind fix und ändern sich nur abhängig von der gewählten Konfiguration und den Abmessungen der Rückgewinnungsanlage. Kompensationskosten entstehen durch den Zukauf von Flüssighelium, um die Gesamtmenge an flüssigem Helium konstant zu halten und Transferverluste auszugleichen. Typische Rückgewinnungsraten sind: DR ca. 70% (ca. 30 % Kompensation), MPR ca. 95% (ca. 5 % Kompensation) und HPR ca. 99% (ca. 1 % Kompensation).


Wie wird Helium rückgewonnen?

Eine typische kleinere Helium-Rückgewinnungs- und Verflüssigungsanlage arbeitet mit den folgenden Prozessschritten:

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Sammeln

Sammelt Heliumgas vom Instrument. Bitte berücksichtigen Sie dabei die Art der Rückgewinnungsanlage und den Schutz des Heliumverbrauchers vor dem Einfluss der Rückgewinnung.

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Speichern

Direkte Rückgewinnung
Kein Speichern - ein einzelnes Gerät

Mittlerer Druck
Heliumgas wird in Stahltanks bei 5 bar gespeichert.

Hoher Druck
Heliumgas wird in einem Ballon gepuffert und in Stahlflaschen bei 200 bar gespeichert.

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Reinigung

Inline
Mit Reinigern wie Trockner oder Getter

Flüssigstickstoff-Falle
Adsorption an Aktivkohle bei 77 K

Kryogene Reinigung
Arbeitet bei 10 – 25 K – vollautomatische Steuerung

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Verflüssigung

Kompakter, tragbarer Verflüssiger mit Gifford-McMahon Kryokühler.
Produziert 10 - 30 Liter flüssiges Helium pro Tag.


Speicher-Konfigurationen

Direkte Rückgewinnung

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Basis-Konfiguration

A – Verflüssiger in Laborgröße
B – Helium-Kompressor
C – Rückgewinnungsdruck-Steuerungseinheit
D – Power-Box
X – Kryo-Instrument

Pro:

  • Einfach zu installieren und zu bedienen
  • Platzsparend
  • Kostengünstig
  • Kann zu MPR oder HPR aufgerüstet werden

Contra:

  • Eingeschränkte Rückgewinnungsrate (70 - 80%) durch Transfer-Verluste

Mitteldruck-Rückgewinnung

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Rückgewinnung mit Helium-Speichertanks aus Stahl (8 - 10bar)

A - Verflüssiger in Laborgröße
B - Helium-Kompressor
C - Booster Hub mit Puffertank
D - Reiniger
E - Speichertanks
F - Rückgewinnungsdruck-Steuerungseinheit
X - Kryo-Instrument

Pro:

  • Ideal für ein bis zwei Instrumente
  • Hohe Effizienz (>95%)

Contra:

  • Eingeschränkte Speicherkapazität

Hochdruck-Rückgewinnung

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Rückgewinnung mit Heliumspeicher-Gasflaschen (200bar)

A - Verflüssiger in Laborgröße
B, D - Helium-Kompressor
C – Kryogener Reiniger
E – Gasbeutel mit Steuerungseinheit
F – Hochdruck-Kompressor
G – Speicher-Gasflaschen-Bündel
H - Rückgewinnungsdruck-Steuerungseinheit
X – Kryo-Instrument(e)

Pro:

  • Vielseitig, individuell konfiguriert und skalierbar
  • Für jede Art Helium-Verbraucher geeignet
  • Sehr hohe Effizienz (>98%)

Contra:

  • Vergleichsweise höhere Kosten
  • Benötigt viel Platz (Helium-Ballon)

Nützliche Links

Gasworld paper: global helium summit 2.0

Details zur Heliumknappheit

Videos

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Dr. Tobias Adler
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David Appel
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Dr. Marc Kunzmann
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