News 2007

München, 11. April 2007

Ein System, das überzeugt

Helium-Rückgewinnung: maßgeschneidert und absolut gasdicht

Ein seit über 60 Jahren erfolgreich auf dem Gebiet der Hochdruck-Systemtechnik für Atemluft, industrielle Luft und technische Gase tätiges Unternehmen beschäftigt sich bereits viele Jahre intensiv mit der Helium-Verdichtung. Hieraus resultierend beliefert das Unternehmen weltweit vorwiegend Forschungslabors von Universitäten und Instituten mit kompletten Rückgewinnungssystemen - maßgeschneidert und absolut gasdicht. Neben Gasverdichteranlagen gehören auch die Gassammelblase sowie die Gasaufbereitung und -speicherung zum Angebot.

Kreislauf: Von der Heliumverflüssigung über die Rückgewinnung zur Wiederverwendung

Flüssiges Helium als Kälteträger spielt in den Naturwissenschaften bei der Forschung und beim Betrieb sensitiver Apparaturen eine immer größere Rolle. Allerdings kann die begehrte Ressource Helium nur in begrenzten Mengen über die Erdgasförderung gewonnen werden. Deshalb ist man bemüht, Helium in geschlossenen Kreisläufen zu betreiben. Verflüssigungsanlagen kühlen Helium soweit ab, bis es bei -269 °C als verflüssigtes Gas vorliegt. Mit dieser tiefkalten Flüssigkeit werden entsprechende Gerätschaften wie Supramagnete (z. B. Kernspintomograf), hochempfindliche Sensoren mit niederem Rauschen usw. betrieben. Das abdampfende Heliumgas wird gesammelt, verdichtet und dem Verflüssigungsprozess wieder zugeführt.

Eigenschaften und Gewinnung

Helium ist nach Wasserstoff das leichteste Element, ist chemisch inert, besitzt ein hohes Diffusionsvermögen und hat mit -269 °C (4,2 Kelvin) den tiefsten Siedepunkt aller Gase. Aufgrund der geringen Dichte ist Helium sehr leicht und eignet sich deshalb sehr gut als ungefährliches Füllgas für Zeppeline. 1 l flüssiges Helium wiegt etwa 130 g und ergibt bei Erwärmung auf Zimmertemperatur etwa 730 l Gas.

Im Gegensatz zu vielen anderen Industriegasen, die direkt aus der Luft durch Destillation gewonnen werden, ist dies bei Helium nicht möglich. Helium lässt sich nur wirtschaftlich aus heliumreichen Erdgasquellen (Heliumgehalt größer 2 %) gewinnen. Solche Quellen sind rar, momentan gibt es weltweit nur vier relevante Quellen: Wyoming/USA, Orenburg/Russland, Sonatrach/Algerien und eine kleine Quelle in Polen.

Durch Gasdestillation wird das Helium vom Rest getrennt und anschließend volumensparend im flüssigen Zustand in speziellen vakuumsuperisolierten Tank-Containern (ca. 40 000 l) drucklos gelagert und so auch transportiert. In örtlichen Distributionszentren erfolgt dann eine Umfüllung in kleinere Heliumgebinde, mit denen der Endkunde beliefert wird; 1 l flüssiges Helium kostet derzeit etwa 7 bis 10 Euro.

Einsatzgebiete

Helium in gasförmiger Form findet seinen Einsatz wie bereits erwähnt im Luftschiffbetrieb, als Schutzgas bei diversen Prozessen (Chemie, Metallurgie, Halbleiterproduktion), als Prüfgas für Leckmessungen (u. a. zur Prüfung von Klimaanlagen im Automobilbau), beim Tauchen als Tauchgasgemisch sowie als inertes Kühlmittel für spezielle Maschinenanwendungen.

Helium in flüssiger Form wird fast nur als Kälteträger eingesetzt, um entsprechende Materialeigenschaften bei tiefen Temperaturen zu optimieren. Durch den Übergang vom normalleitenden in den supraleitenden Zustand können zum Beispiel starke Magnete und damit riesige Magnetfelder erzeugt werden (z. B. Kernspintomograf). Auch wird mit abnehmender Temperatur das elektronische Rauschen herabgesetzt, so dass das Signal-Rausch-Verhältnis zu kleinen Temperaturen hin stark verbessert werden kann (heliumgekühlte Detektoren).

Heliumverflüssigungsanlage

Helium-Verdichteranlage in gasdichter Ausführung mit Kondensatsammelbehälter und HD-Speicher, Gasliefermenge 720 l/min

Die Universität Konstanz betreibt schon seit fast 30 Jahren eine eigene Heliumverflüssigungsanlage mit anschließender Heliumrückgewinnung. Mit der jährlichen Produktionsmenge von über 70 000 l flüssigem Helium werden 42 Experimente und Apparaturen im naturwissenschaftlichen Bereich versorgt. Neben Anwendungen in der Physik gibt es noch Apparaturen in den Fachbereichen Chemie, Biologie und Psychologie. Etwa 100 Mitarbeiter arbeiten direkt an Experimenten mit flüssigem Helium.

Das gesamte System der Universität Konstanz beinhaltet umgerechnet 5 500 l flüssiges Helium. Jährlich müssen ca. 2 300 l nachgefüllt werden, um Verluste auszugleichen. Dies bedeutet, dass jeder Liter flüssiges Helium etwa 30 Mal verflüssigt und wieder rückgewonnen wird, bis das Gas letztlich durch unvermeidbare Lecks entweicht.

Helium zu verflüssigen, ist technisch sehr aufwändig. Im Gegensatz zu Luftzerlegern, bei denen eine Verflüssigung rein durch Gasentspannung und Gegenstromkühlung stattfindet, muss bei Heliumverflüssigern zusätzlich eine Vorkühlung über eine mechanische Expansionsmaschine (Turbine) stattfinden. Entsprechend groß ist der steuerungstechnische Aufwand. Deshalb ist es betriebswirtschaftlich günstiger, eine zentrale Verflüssigungsanlage zu betreiben und die Kälte via Transportbehälter zu den einzelnen Nutzern zu bringen.

Gasverflüssigungsverfahren sind auch energetisch sehr aufwändig. Die in Konstanz installierte Verflüssigungsanlage hat eine Stundenleistung von 20 l flüssigem Helium; sie wird von einem Verdichter mit 10 bar Ausgangsdruck und einer Förderleistung von 800 Nm³/h versorgt, der Antrieb ist ein Elektromotor mit 90 kW Leistung.

Heliumverflüssigung ist jedoch nur die eine Hälfte der Heliumanlage. Die andere Hälfte umfasst die Rückgewinnung des aus den Anlagen und Apparaturen abdampfenden Heliumgases. Dazu ist in sämtlichen Gebäuden ein Rohrleitungsnetz installiert, das das Heliumgas von den Experimenten zur zentralen Gassammelblase transportiert. Ist diese voll, so werden über eine Füllstandssteuerung die Hochdruckgasverdichter gestartet, die das Heliumgas ansaugen, auf 300 bar verdichten und in Hochdruckbehälter speichern. Aus diesen Hochdruckbehältern entnimmt die Heliumverflüssigungsanlage wieder ihr Speisegas. Damit ist der Heliumkreislauf geschlossen.

Rückgewinnungsanlage

Aufgrund des hohen Diffusionsvermögens (sehr kleiner Atomdurchmesser) vermag Helium kleinste Öffnungen und Poren zu durchdringen, was zu Gasverlusten im Heliumsystem führt. Um diese Verluste zu minimieren, wird das Rohrleitungssystem entsprechend ausgelegt. In Konstanz sind die Rohrleitungen in Kupfer ausgeführt, verbunden durch hartgelötete Fittings. Zwar müssen die Rohrleitungen keinem hohen Druck standhalten, jedoch führen Temperaturschwankungen des transportierten Heliumgases (z.B. beim Ablass von tiefkaltem Gas) zu ernormen mechanischen Belastungen. Mittlerweile werden Rückgewinnungssysteme auch in orbitalgeschweißten Edelstahlrohren ausgeführt.

Auch an die Hochdruckverdichter sind höhere Anforderungen als beim Betrieb mit Luft gestellt. Neben der erforderlichen Dichtigkeit müssen die Heliumverdichter , bedingt durch die im Vergleich zur Luft höhere Wärmekapazität, zum einen besser gekühlt werden, zum anderen bedeutet dies einen höheren Qualitätsanspruch der einzelnen Komponenten (z.B. Ventile).

Bewährte Anlagentechnik

Die Firma BAUER KOMPRESSOREN beschäftigt sich schon seit vielen Jahren mit der Problematik der Heliumverdichtung. Sämtliche Hochdruck-Gasverdichteranlagen vom Typ Vertikus (Fördervolumen 80 l/min) bis zur Großanlage (1 650 l/min) haben ein geschlossen gasdichtes System und weisen Leckraten von kleiner 1,2 bis max. 20 mbar l/s auf. Die Hochdruckverdichter werden je nach Füllstand der Gasblase vom Blasenmanagement angefordert. Füllstandsabhängig werden die Kompressoren ein- und wieder ausgeschaltet.

Fazit

Aufgrund der steigenden Nachfrage bei begrenzter Förderkapazität steigen am Markt die Preise für Helium. Technisch gibt es jedoch, vom Wasserstoffverflüssiger mit seinem hohen Gefahrenpotenzial einmal abgesehen, noch keine Alternative zur Heliumverflüssigung. Ökologisch bedeutet dies, dass mit der Ressource Helium äußerst sorgsam umzugehen ist. Hierzu trägt BAUER KOMPRESSOREN mit Hochdruckverdichtern höchster Qualität bei.

Autor:
Dipl. Ing. Ludwig Kühlwein
Projektingenieur, Industriebereich