Umgang mit der Heliumknappheit

Ein altes Sprichwort besagt: „Was hoch geht, muss auch wieder runter.“ Leider gilt dies weder für einen mit Helium gefüllten Ballon noch für Helium, das bei Lecktestanwendungen verwendet wird.

Seit Januar 2022 herrscht weltweit ein Mangel an Helium. Der Krieg in der Ukraine hat die Lieferung von Helium aus Russland, einem führenden Gasexporteur, unterbrochen. Vier der fünf größten Heliumlieferanten der Welt waren gezwungen, das Gas für ihre Kunden zu rationieren, darunter auch Hersteller, die es zur Überprüfung von Geräten, Autoteilen, medizinischen Geräten und anderen Produkten auf Lecks verwenden.

Die Monteure waren gezwungen, entweder in den sauren Apfel zu beißen und mehr für Helium zu bezahlen oder Alternativen zu finden.

Helium ist ein Inertgas, das für eine Vielzahl von analytischen, kryogenen, Wärmeübertragungs-, Hebe-, Leckerkennungs- und Abschirmungsanwendungen beliebt ist. Die größten industriellen Heliumverbraucher sind Krankenhäuser, wo die extrem niedrige Temperatur von flüssigem Helium genutzt wird, um die supraleitenden Eigenschaften von Magneten in MRT-Geräten aufrechtzuerhalten. Aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit wird es auch als Kühlmittel zur effektiven Wärmeübertragung in der Glasfaser- und Elektronikindustrie eingesetzt.

Diese Anwendungen machen etwa 40 Prozent des Marktes aus. Partyballons machen weitere 15 Prozent aus, während Dichtheitsprüfungen nur etwa 5 Prozent des Heliumverbrauchs ausmachen.

Die Hartvakuum-Helium-Leckprüfung ist das genaueste und effizienteste aller Prüfgas-Leckerkennungssysteme und wird zur Prüfung von Teilen mit extrem kleinen Leckraten verwendet. Es bietet eine bessere Wiederholbarkeit als andere Prüfgas-Leckerkennungsmethoden, kürzere Zykluszeiten und ist weniger anfällig für Temperatur und andere äußere Umgebungsfaktoren. Weitere Vorteile sind schnelle Zykluszeiten und hohe Wiederholgenauigkeit.

Vakuum-Helium-Lecktests können mit einer „Inside-Out“- oder „Outside-In“-Methode durchgeführt werden. Beide Methoden bieten ähnliche Vorteile, der Inside-Out-Hard-Vakuumtest bietet jedoch ein höheres Maß an Empfindlichkeit und birgt ein geringeres Risiko menschlicher Fehler, da der Testprozess automatisiert ist. Es erfordert auch mehr Ausrüstung als eine von außen nach innen durchgeführte Methode, die von einem Bediener durchgeführt wird.

„Helium wird für bestimmte Arten von Tests immer notwendig sein“, sagt Gordon Splete, globaler Produktmanager bei Cincinnati Test Systems Inc. „Die Nachfrage nach Helium ist heute größer, weil die Leckraten in vielen Anwendungen sinken.

„Der größte Vorteil der Verwendung von Helium besteht darin, dass es ein nicht reaktives Gas ist und daher bei keinem anderen Prozess ausgast“, erklärt Splete. „Das macht es einfacher zu kontrollieren als andere Arten von Gasen.“

Abgesehen vom Preis des Gases selbst ist die Helium-Leckprüfung in der Regel teurer als andere Methoden, wie z. B. Druckabfall. Das liegt daran, dass mehr Hardware erforderlich ist und die Sensoren komplexer sind. Aber das lenkt einige Hersteller nicht ab.

„Wir verzeichnen eine regelmäßige Nachfrage nach Helium-Lecksuchgeräten, da verschiedene Branchen neue Produkte mit strengeren Prüfspezifikationen einführen oder ältere Lecksuchgeräte ersetzen, die das Ende ihrer Betriebslebensdauer erreicht haben“, sagt Chris Olsen, technischer Leiter bei Vacuum Instrument Corp. (VIC). „Die Produkte und Branchen, die Helium als Prüfgas für die Dichtheitsprüfung verwenden, sind grenzenlos.“

Es wird von Herstellern medizinischer Geräte zum Testen implantierbarer Geräte wie Herzschrittmacher verwendet. Luft- und Raumfahrthersteller verwenden Helium zum Testen elektronischer Schalter und pneumatischer Hochdruckkomponenten.

Die Haushaltsgeräteindustrie verwendet Helium zum Testen von Akkumulatoren, Spulen, Kompressoren, Expansionsventilen und anderen Komponenten in Klimaanlagen, Kühlschränken und gewerblichen Kühlgeräten.

„Jedes Produkt, das mit Kältemitteln gefüllt ist, muss streng auf Lecks geprüft werden, und Helium ist die erste Wahl“, bemerkt Thomas Parker, Vertriebsleiter für den nordamerikanischen Automobilmarkt bei Inficon Inc.

Traditionell wird Helium in der Automobilindustrie häufig zum Testen von Kraftstoffsystemkomponenten wie Kraftstoffeinspritzdüsen, Kraftstoffverteilern und Benzintanks sowie Airbags, Aluminiumrädern und Kühlern verwendet.

„Wir sehen heute eine höhere Nachfrage nach Helium von Automobilherstellern und Zulieferern“, sagt Parker. „Der Antrieb erfolgt überwiegend durch Elektrofahrzeuge. Wir arbeiten häufig mit Herstellern zusammen, die Helium zur Dichtheitsprüfung zylindrischer Batteriezellen und Wärmemanagementkomponenten verwenden. Es wird auch gerne zum Testen der Wannen und Deckel verwendet, die in Batteriegehäusen verwendet werden.“

Laut Parker sind Batteriepakete so groß, dass es schwierig ist, sie bei geringer Leckrate mit Luft oder Prüfgas zu testen. Batteriekühlsysteme wie Wärmepumpen und Kühlplatten sind eine weitere wachsende Anwendung für die Helium-Leckprüfung.

„Mit der Umstellung auf Elektrofahrzeuge steigt die Nachfrage nach Dichtheitsprüfungen für neue Komponenten dramatisch“, fügt Hideki Matsuura, General Manager der Fabrikautomatisierungsabteilung von Yamaha Fine Technologies Co., hinzu. „Eine der heißesten Anwendungen betrifft heute Lithium-Ionen-Batterien. Auch die Umweltforderungen nach schadstofffreien Lecks treiben [das wachsende Interesse an Lecktests] voran.“

Helium wird bei der Förderung von Erdgasvorkommen gefunden. Leider ist weltweit nur eine begrenzte Menge Helium verfügbar und der Markt wird von einer Handvoll Industriegaslieferanten, darunter Airgas, Air Products, Linde und Matheson, streng kontrolliert. Es handelt sich um einen klassischen Fall der Angebots- und Nachfrageökonomie.

„Heutzutage herrscht unter Heliumnutzern große Frustration, weil es sich hier um ‚Heliumknappheit 4.0‘ handelt“, sagt Phil Kornbluth, Präsident von Kornbluth Helium Consulting. „Die Preise sind in den letzten 16 Monaten ziemlich dramatisch gestiegen und liegen auf einem Niveau, das wir noch nie zuvor gesehen haben.“

Seit 2006 kam es zu vier Engpässen. „Alle vier oder fünf Jahre scheint ein ‚perfekter Sturm‘-Szenario die Helium-Zulieferindustrie zu treffen“, beklagt Parker. „Einmal gab es nicht genügend Rohranhänger, um das Helium zu transportieren. Ein anderes Mal kam es bei einer Erdgasanlage in Wyoming zu erheblichen Ausfallzeiten.“

„Der Preis für Helium ist in den letzten zwei Jahrzehnten um mehr als das Zehnfache gestiegen“, fügt Kornbluth hinzu. „Der Heliumpreis an der Quelle ist von 2006 bis 2022 jährlich um durchschnittlich 11 Prozent gestiegen.“

„Die meisten dieser Engpässe sind auf Angebotsausfälle und nicht auf Nachfragewachstum zurückzuführen“, behauptet Kornbluth. „Der jüngste Preisanstieg ist darauf zurückzuführen, dass große Heliumlieferanten aufgrund des Krieges in der Ukraine ihre Lieferungen rationiert haben.

„Ein aktuelles Gazprom-Projekt in Sibirien, das die Knappheit in ein Überangebot umwandeln sollte, wurde aufgrund des Krieges verzögert, was für große Unsicherheit auf dem Markt sorgte“, erklärt Kornbluth. „Ein weiteres großes Heliumprojekt in Katar, das in einigen Jahren in Betrieb gehen soll, sollte den Mangel beheben. Das wird definitiv zu einem Überangebot an Helium führen.“

Ironischerweise befinden sich in den Vereinigten Staaten die größten Heliumvorkommen der Welt. Das US Bureau of Land Management betreibt eine Bundeslagerstätte in der Nähe von Amarillo, Texas, und ein Pipelinesystem, das rohes Heliumgas an vier private Anlagen in Kansas und Oklahoma liefert.

„Vor einem Jahrzehnt zahlten viele Hersteller etwa 0,25 US-Dollar für einen Standardkubikfuß Helium“, sagt Parker. „Vor fünf Jahren lag der Preis für den gleichen Gegenwert zwischen 0,50 und 0,75 US-Dollar. Der Heliumverbrauch ist während der COVID-19-Pandemie zurückgegangen, steigt nun aber wieder an. Es ist vergleichbar mit dem Auf und Ab der Benzinpreise.

„Während dieser früheren Engpässe wandten sich einige Hersteller anderen Gasarten zu, die für ihre Dichtheitsprüfungsanwendung geeignet waren“, betont Parker. „Aber andere haben herausgefunden, dass Helium die einzige Lösung ist, also finden sie auf magische Weise einen Weg, daran festzuhalten, indem sie alternative Lieferanten finden oder Verträge neu aushandeln, um günstigere Preise zu finden.“

Laut Parker ist Wasserstoffformiergas, eine Mischung aus 95 Prozent Stickstoff und 5 Prozent Wasserstoff, eine gute Alternative zu Helium für Dichtheitsprüfungsanwendungen.

„Es kostet weniger als Helium, aber man verliert etwas an Empfindlichkeit“, warnt Parker. „Zum Beispiel wird man ein so kleines Leck nicht finden können, wie es mit Helium möglich wäre.

„Ein weiterer Nachteil, den man beachten sollte, ist die Tatsache, dass es in Fabriken viele andere Wasserstoffquellen gibt, die jeden Leckdetektor aktivieren können“, sagt Parker. „Zum Beispiel könnte es ein mit Propangas betriebener Gabelstapler sein. Andererseits riecht nichts anderes nach Helium. Ein Helium-Lecksucher erkennt nur Helium.

„Wir haben einige große Projekte mit großen HVAC-Herstellern durchgeführt, die von Helium auf Wasserstoff als Formgas umgestiegen sind“, bemerkt Parker. „Einige dieser Kunden waren mehr besorgt über die langfristige Versorgung mit Helium als über aktuelle Preisschwankungen.

„Einige Ingenieure glauben fälschlicherweise, dass sie ohne Konsequenzen von Helium auf Wasserstoff umsteigen können“, erklärt Parker. „Es ist wichtig zu erkennen, dass es zwar Alternativen zu Helium gibt, es sich jedoch nicht um eine Plug-and-Play-Lösung handelt.

„Wenn man von Helium umsteigt, gibt es Kompromisse und man wird etwas aufgeben, zum Beispiel die Empfindlichkeit“, behauptet Parker. „Wenn Sie bei einem Vortest die Empfindlichkeit aufgeben, müssen Sie bei einem Abschlusstest besser nach Lecks Ausschau halten.

„Heutzutage suchen viele Ingenieure nach Flexibilität bei ihren Dichtheitsprüfsystemen“, fügt Parker hinzu. „Sie möchten die Möglichkeit haben, je nach Anwendung entweder Helium oder Wasserstoff als Formiergas mit hohem oder langsamem Durchfluss zu verwenden. Deshalb haben wir den XL3000flex entwickelt.“

Laut Parker ist es das erste Gerät, das Lecks mit Formiergas genauso genau erkennt wie mit Helium. Mit dem XL3000flex können Benutzer das kostengünstigste oder am einfachsten zu beschaffende Testgas wählen.

„Die aktuelle Heliumsituation hat einige unserer Kunden gezwungen, nach Alternativen zu suchen und diese zu bewerten“, sagt Jacques Hoffmann, Präsident von InterTech Development Co. „Heute sehen wir mehr Kunden, die nach Möglichkeit nach Trockenlufttests anstelle von Helium suchen.“ Wir haben gesehen, dass einige Hersteller, die wegen steigender Kosten verärgert waren, den Wandel vollzogen.

„Zusätzlich zu den Lieferkettenproblemen gibt es auch Wartungsprobleme im Zusammenhang mit Heliumtests“, behauptet Hoffmann. „Trockenlufttests können Ihnen oft eine zuverlässige und kostengünstigere Alternative bieten. Aufgrund der Zykluszeiten können Sie mit Luft manchmal sogar schneller testen als mit Helium.

„Helium wird nicht verschwinden, aber die Technologie hinter anderen Dichtheitsprüfmethoden hat sich weiterentwickelt“, bemerkt Hoffmann. „Das hat es einigen Herstellern ermöglicht, niedrigere Leckraten zu verwenden und größere Volumenteile zuverlässig zu testen.“

Tatsächlich hat InterTech kürzlich eine proprietäre Technologie entwickelt, die es Automobilherstellern ermöglicht, großvolumige Batteriegehäuse zu testen.

Laut Hoffman ist 100 Prozent Helium nicht immer notwendig, um genaue Ergebnisse der Lecktests zu gewährleisten. „Viele unserer Kunden verwenden ein Prozentgas, um Kosten für Prüfgas zu sparen“, betont er. „Auf welchen Prozentsatz sie auch immer reduzieren, dadurch ändert sich einfach die Empfindlichkeit des Systems um den gleichen Betrag.

„Wenn die Leckrate so groß ist, dass wir sie mit einem Prozentsatz des Prüfgases noch genau erfassen können, dann macht das Sinn“, sagt Hoffmann. „Wenn ihre Ausschussleckrate beispielsweise 8 x 10-5 atmcc/s betrug und wir Lecks im hohen Bereich von 10-6 leicht erkennen können, würde der Übergang zu einer 10-Prozent-Mischung die Ausschussgrenze auf 8 x 10 senken. 6 atmcc/Sek. Das System findet ihre Lecks weiterhin zuverlässig und sie würden bis zu 90 Prozent ihrer Prüfgaskosten einsparen.“

„Wir wurden von Herstellern kontaktiert, um bestehende und neue Dichtheitsprüfungsanwendungen zu prüfen und die Eignung für die Verwendung eines alternativen Prüfgases zu Helium, wie Argon und Wasserstoff, zu ermitteln“, fügt Olsen von VIC hinzu. „Helium bietet die Möglichkeit, Lecktests mit Nachweiswerten durchzuführen, die bis zu 100.000 Mal empfindlicher sind als die, die mit anderen alternativen Prüfgasen gemessen werden können.

„Einige alternative Prüfgase, wie zum Beispiel Wasserstoff, erfordern aufgrund der Brennbarkeit des Gases eine reduzierte Konzentration von 5 Prozent“, erklärt Olsen. „Die 5-prozentige Wasserstoffkonzentration reduziert die zulässige Ausschussmenge um 95 Prozent.

„In vielen Anwendungen liegt der neue zulässige Ausschusswert außerhalb der Erkennungsfähigkeit des Leckdetektors und ist nicht geeignet“, warnt Olsen. „Wir wurden auch bezüglich der Senkung des Heliumanteils des verwendeten Prüfgases und der Nutzung von Heliumrückgewinnungssystemen kontaktiert.“

Helium-Rückgewinnungssysteme stellen für einige Hersteller, die ihre Kosten kontrollieren möchten, eine Alternative dar. Allerdings sind sie nicht billig und oft wartungsintensiv.

„Alle Branchen sind auf der Suche nach Heliumrückgewinnungssystemen, wenn sie sich die Kapitalrendite leisten können“, sagt Splete von Cincinnati Test Systems. „Sie bestehen aus mehreren Schlüsselkomponenten, etwa einem harten Schmutzwassertank oder einem faltbaren Beutel. Von dort wird das gesamte Helium gefiltert, durchläuft einen Kompressor und wird zurück in einen Primärtank geleitet, der einen Gasanalysator zur Messung der Heliumkonzentration enthält.

„Bis zu etwa 95 Prozent des Heliums können zuverlässig zurückgewonnen werden“, behauptet Jeff McBee, globaler Marktspezialist für HVAC-R bei Cincinnati Test Systems. „Als Faustregel gilt: Je höher Ihr Prüfdruck, desto besser ist Ihre Rückgewinnungseffizienz.

„Bei niedrigeren Testdrücken werden die Heliumrückgewinnungsraten geringer sein“, betont McBee. „Der Vakuumdruck, der vor dem Verfüllen mit Helium verwendet wird, kann sich auch auf die Effizienz auswirken. Normalerweise sind Rückgewinnungssysteme, die einen höheren Druck verwenden, kostengünstiger und etwas einfacher zu warten.“

„Der Einsatz eines Rückgewinnungssystems spart viel Helium, da es einen nahezu geschlossenen Helium-Rezirkulations- und Wiederverwendungskreislauf schafft“, fügt Olsen von VIC hinzu. „Das einzige zusätzliche Helium, das benötigt wird, besteht darin, Lecks, Volumenverluste und Verdünnungen auszugleichen.

„Die Ingenieure müssen jedoch sicherstellen, dass alle Leitungen dicht sind und dass die Prozesssteuerung genügend Zeit für die Vorevakuierung der Teile lässt, um das Ausmaß der Verdünnung zu begrenzen“, erklärt Olsen. „Außerdem muss ausreichend Zeit eingeplant werden, um das in das System zurückkehrende Helium abzulassen und zurückzugewinnen.“

„Die Heliumrückgewinnung ist in der Regel für Ingenieure sinnvoll, die große Mengen an Teilen mit geringer Variation haben“, argumentiert Parker von Inficon. „Wenn Sie beispielsweise Haushaltskühlschränke in Massenproduktion herstellen, ist die Heliumrückgewinnung sehr sinnvoll. Aber wenn Sie an Ihrem Fließband eine breite Palette von Produkten herstellen, ist dies für die meisten Anwendungen wahrscheinlich nicht sinnvoll.“

Laut Kornbluth ist für die meisten Lecksuchanwendungen kein hochreines Helium erforderlich. „Während handelsübliches Helium eine Reinheit von 99,9 Prozent aufweist, bietet Helium mit geringerer Reinheit eine Reinheit von 98 Prozent oder 99 Prozent“, betont er.

„Es gibt eine Reihe von Start-up-Unternehmen, die Helium in diesem Bereich produzieren, daher könnte dies für einige Hersteller eine Option sein, die sie in Betracht ziehen“, sagt Kornbluth. „Die Liste umfasst Unternehmen wie North American Helium in Kanada. Andere, die kurz vor dem Produktionsstart stehen, sind Blue Star Helium, Desert Mount Energy, Navajo Transitional Energy Co. und Royal Helium.“

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