ฮีเลียมเป็นสิ่งที่ทดแทนได้ยาก

 (construction-physics.com)
1 คะแนน โดย GN⁺ 18 일 전 | 1 ความคิดเห็น | แชร์ทาง WhatsApp
  • ฮีเลียมได้มาจาก ผลพลอยได้ของการขุดก๊าซธรรมชาติ เท่านั้น จึงเปราะบางอย่างมากต่อ ความขัดแย้งทางภูมิรัฐศาสตร์ และ การสะดุดของห่วงโซ่อุปทาน
  • เป็นทรัพยากรจำเป็นใน MRI·เซมิคอนดักเตอร์·ใยแก้วนำแสง·อวกาศยาน·งานวิจัยทางวิทยาศาสตร์ เพราะมีคุณสมบัติ การทำความเย็นอุณหภูมิต่ำยิ่งยวดและความเฉื่อยทางเคมี
  • ในงานอย่าง EUV lithography·การทำความเย็นแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด นั้น ไม่มีก๊าซทดแทนอยู่จริง เนื่องจากข้อจำกัดด้านคุณสมบัติทางฟิสิกส์
  • แม้บางสาขาจะลดการใช้งานลงได้ด้วย ระบบรีไซเคิล แต่ ไม่สามารถทดแทนได้อย่างสมบูรณ์
  • อุปทานฮีเลียม เชื่อมโยงโดยตรงกับการผลิตก๊าซธรรมชาติ ทำให้ กฎระเบียบด้านสิ่งแวดล้อมและความล่าช้าในการขยายโครงสร้างพื้นฐาน ก่อให้เกิดความไม่มั่นคงด้านอุปทานในระยะยาว

ห่วงโซ่อุปทานฮีเลียมและความไม่อาจทดแทนได้

  • สงครามอิหร่านและการปิดช่องแคบฮอร์มุซ ส่งผลกระทบรุนแรงไม่เพียงต่อปิโตรเลียม แต่ยังรวมถึง ห่วงโซ่อุปทานฮีเลียม ด้วย
    • ฮีเลียมผลิตจาก ผลพลอยได้ของการขุดก๊าซธรรมชาติ และกาตาร์คิดเป็นราว 1/3 ของอุปทานโลก
    • การปิดช่องแคบทำให้ราคาฮีเลียมพุ่งสูง และผู้จัดจำหน่ายประกาศ เหตุสุดวิสัย (force majeure)
    • คลังสำรองฮีเลียมเชิงยุทธศาสตร์ ที่รัฐบาลสหรัฐเคยถือครองได้ขายหมดแล้วในปี 2024

คุณสมบัติของฮีเลียมและโครงสร้างการผลิต

  • ฮีเลียมเป็น ธาตุที่เบาที่สุดรองจากไฮโดรเจน และเป็นธาตุที่พบมากเป็นอันดับสองในเอกภพ
    • ในบรรยากาศโลกมันเบามากจนหลุดออกสู่อวกาศ จึงสามารถสกัดเชิงพาณิชย์ได้จาก ชั้นก๊าซธรรมชาติใต้ดิน เท่านั้น
    • เกิดจาก การสลายกัมมันตรังสีของยูเรเนียม·ทอเรียม และสะสมอยู่ในชั้นก๊าซเป็นเวลาหลายล้านปี
  • สหรัฐและกาตาร์รับผิดชอบการผลิตทั่วโลกราว 2/3 ที่เหลือผลิตโดยรัสเซีย·แอลจีเรีย·แคนาดา·จีน·โปแลนด์ เป็นต้น
    • ฮีเลียมเป็นธาตุที่มีจุดเดือดต่ำที่สุด โดยเดือดที่ 4.2K(-452°F)
    • สามารถ คงสถานะของเหลวได้แม้ที่อุณหภูมิใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ จึงจำเป็นต่อการทำความเย็นอุณหภูมิต่ำยิ่งยวด
    • ด้วยคุณสมบัติอย่าง ความเฉื่อยทางเคมี·การนำความร้อนสูง·น้ำหนักเบา จึงถูกใช้ในหลายอุตสาหกรรม

การใช้งานฮีเลียมหลักในภาคอุตสาหกรรม

  • ปริมาณการใช้ทั่วโลกต่อปีอยู่ที่ประมาณ 180 ล้านลบ.ม. แม้จะน้อยกว่าก๊าซไนโตรเจนหรือก๊าซธรรมชาติ แต่เป็น ทรัพยากรแกนหลักที่ทดแทนไม่ได้

  • อุปกรณ์ MRI

    • คิดเป็นราว 17% ของการบริโภคฮีเลียมในสหรัฐ
    • ใช้สำหรับ ทำความเย็นแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด โดยแม่เหล็ก NbTi จะรักษาสภาวะตัวนำยิ่งยวดได้เฉพาะที่ อุณหภูมิสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์ 9.2 องศา เท่านั้น
    • ในอดีตสูญเสียฮีเลียม 0.4 ลิตรต่อชั่วโมง แต่ปัจจุบันด้วยการออกแบบ ‘zero boil-off’ จึงแทบไม่ต้องเติมใหม่
    • แม้จะมี MRI ที่ใช้ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงอยู่บ้าง แต่ MRI ส่วนใหญ่จากทั้งหมด 50,000 เครื่อง ก็ยังพึ่งพาฮีเลียม

  • อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

    • ใช้ฮีเลียมทั่วโลกราว 25% และในสหรัฐราว 10%
    • ใช้ใน การเติบโตของซิลิคอนแบบ Czochralski, EUV lithography, การทำความสะอาดห้องสุญญากาศ, การตรวจหารอยรั่ว เป็นต้น
    • อุปกรณ์ EUV ไม่สามารถแทนที่ฮีเลียมได้ เพราะฮีเลียม แทบไม่ดูดกลืนรังสี EUV
    • ตามรายงานอุตสาหกรรม คาดว่าการใช้ฮีเลียมจะ เพิ่มขึ้น 5 เท่าภายในปี 2035

  • การผลิตใยแก้วนำแสง

    • ใช้ฮีเลียมทั่วโลก 5~6%
    • ใช้เป็น ก๊าซทำความเย็นเพื่อป้องกันการเกิดฟองอากาศ เมื่อต้องเชื่อมแกนแก้วกับชั้นหุ้ม
    • ไม่มีก๊าซอื่นที่ทดแทนได้

  • ก๊าซ purge

    • ใช้ใน อุตสาหกรรมการบินและอวกาศ สำหรับล้างถังไฮโดรเจนเหลว·ออกซิเจนเหลว
    • NASA เป็นผู้ใช้ฮีเลียมรายใหญ่ที่สุดในสหรัฐ คิดเป็นราว 7% ของการบริโภครวม
    • ด้วยจุดเดือดต่ำและความเฉื่อยทางเคมี จึงยากที่จะใช้ก๊าซอื่นแทน

  • ก๊าซยกตัว

    • ใช้กับเรือเหาะ·บอลลูน** คิดเป็นราว**18% ของการบริโภคในสหรัฐ

      • ปลอดภัยกว่าไฮโดรเจน แต่เมื่ออุปทานตึงตัว ราคาจะผันผวนมาก

  • งานวิจัยทางวิทยาศาสตร์และเครื่องมือวัด

    • คิดเป็นราว 22% ของการบริโภคในสหรัฐ
    • จำเป็นต่ออุปกรณ์อุณหภูมิต่ำยิ่งยวดหรือความแม่นยำสูง เช่น แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด·SQUID·แมสสเปกโตรมิเตอร์
    • สถานวิจัยขนาดใหญ่ เช่น LHC ของ CERN ก็ใช้ในปริมาณมากเช่นกัน

  • การเชื่อม

    • ใช้ในสหรัฐราว 8%
    • ด้วยคุณสมบัติ ความเฉื่อยทางเคมี·การนำความร้อนสูง จึงเหมาะเป็นก๊าซปกคลุมเพื่อปกป้องโลหะหลอมเหลว
    • ในต่างประเทศมักมีการใช้ อาร์กอน แทน

  • การดำน้ำ

    • ใช้ในสหรัฐราว 5%
    • เป็นส่วนประกอบของ ก๊าซหายใจผสมสำหรับการดำน้ำลึก (Trimix) เพื่อป้องกันภาวะ nitrogen narcosis
    • นอกจากฮีเลียมแล้ว มีเพียง นีออน ที่ใช้แทนได้บางส่วน แต่มีความต้านทานการหายใจสูง จึงใช้งานจริงได้ยาก

ความพยายามประหยัดและรีไซเคิลฮีเลียม

  • ในบางสาขา มีการลดการใช้ลงด้วย ก๊าซทดแทนหรือระบบรีไซเคิล
    • การสูญเสียฮีเลียมในอุปกรณ์ MRI ลดลง และการนำ ระบบรีไซเคิล มาใช้ของ NASA ทำให้การใช้ในภาคการบินและอวกาศ ลดจาก 18.2 ล้านลบ.ม. (26%) ในปี 2010 → 4 ล้านลบ.ม. (7%)
    • อย่างไรก็ตาม ฮีเลียมส่วนใหญ่ในสหรัฐยังไม่ได้ถูกกู้คืนกลับมาใช้ใหม่ และการรีไซเคิลมีศักยภาพในการลดการใช้ได้ มากกว่า 90%
  • ไม่สามารถทดแทนได้อย่างสมบูรณ์ และถูกประเมินว่าเป็นทรัพยากรที่ ‘ลดได้’ แต่ ‘ตัดออกไม่ได้’

ข้อจำกัดด้านอุปทานและนัยเชิงนโยบาย

  • อุปทานฮีเลียม เชื่อมโยงโดยตรงกับปริมาณการผลิตก๊าซธรรมชาติ
    • วิธีที่ตรงที่สุดในการจัดหาแหล่งฮีเลียมใหม่คือ การขยายการขุดก๊าซธรรมชาติ
    • ในสหรัฐยังมี แหล่งก๊าซที่ยังไม่พัฒนา เช่น อะแลสกา·อ่าวเม็กซิโก·ชั้นหินดินดาน Marcellus
    • แต่เนื่องจาก กฎระเบียบสิ่งแวดล้อม·ความล่าช้าในการอนุญาต จึงมักใช้เวลา มากกว่า 10 ปี กว่าจะอนุมัติโครงการใหม่
  • ข้อจำกัดด้านอุปทานของฮีเลียมและก๊าซธรรมชาติทำให้เกิด ความผันผวนของราคาและความเสี่ยงด้านความมั่นคง
    • ดังนั้น การแทรกแซงเชิงนโยบายและการขยายโครงสร้างพื้นฐาน จึงเป็นโจทย์สำคัญของการรักษาเสถียรภาพอุปทาน

บทความที่เกี่ยวข้อง

1 ความคิดเห็น

 
GN⁺ 18 일 전
ความเห็นจาก Hacker News

  • โรงไฟฟ้าก๊าซธรรมชาติมี น้อยกว่า 10% ที่กู้คืนฮีเลียม ส่วนที่เหลือปล่อยขึ้นสู่บรรยากาศ
    นี่ไม่ใช่ปัญหาทางฟิสิกส์ แต่เป็นปัญหาเรื่อง วิศวกรรมและความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจ

    • ยิ่งการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลลดลง ปัญหานี้ก็น่าจะยิ่งใหญ่ขึ้น
      การผลิตฮีเลียมด้วยนิวเคลียร์ฟิวชันนั้นไม่สมจริง แต่ถ้าเป็นอนาคตที่ยิงโปรตอนใส่ไฮโดรเจนเพื่อเติมลูกโป่ง ก็คงเป็นไซไฟมากจริง ๆ
      ฮีเลียมเป็นก๊าซเฉื่อย จึงไม่มีโมเลกุลที่สามารถสลายเพื่อให้ได้มัน และการได้มาจากการสลายกัมมันตรังสีก็มีขีดจำกัด
    • สุดท้ายถ้าเกิดปัญหาความหายาก ราคาตลาดก็จะปรับตัว
      คิดว่าที่บริษัทต่าง ๆ ไม่ขยับด้วยมุมมองระยะยาว เป็นเพราะโครงสร้างโบนัส

  • ไม่ได้กังวลเรื่องการขาดแคลนฮีเลียม
    ในทางเทคนิคสามารถสกัดได้ดีอยู่แล้ว ปัญหาคือ ความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจ
    ถ้าราคาขึ้น การลงทุนก็จะเพิ่ม และอุปทานก็จะตามมา
    ตอนนี้การคาดการณ์อุปสงค์กับต้นทุนการลงทุนยังไม่ลงตัว จึงไม่ค่อยคุ้มค่า

    • แต่ถ้าอุปสงค์ยังเพิ่มต่อเนื่อง ภายใน 40~60 ปี แหล่งสำรองที่ ‘ราคาถูก’ อาจหมดลง
      ถ้าโตปีละ 3% จะหมดใน 80~140 ปี และถ้าโต 5% จะหมดใน 50~90 ปี
      คำว่า “ฉันไม่กังวล” ท้ายที่สุดก็เป็นเพียง มุมมองแบบเห็นแก่ตัวข้ามรุ่น เท่านั้น

  • ไม่นานมานี้ได้ฟังบทสัมภาษณ์ผู้ผลิตฮีเลียมใน พอดแคสต์ Odd Lots ของ Bloomberg
    เขาพูดถึงโครงสร้างของตลาดฮีเลียมและปัญหาอุปทาน

  • ตอนที่ลูกชายมีอาการหอบหืดกำเริบรุนแรง การรักษาด้วยฮีเลียม ช่วยชีวิตเขาไว้
    หมอพูดถึงปัญหาการขาดแคลนฮีเลียมและบอกว่าเกลียดฮีเลียมสำหรับลูกโป่ง
    ทำให้รู้สึกชัดเจนว่ามันเป็น ทรัพยากรล้ำค่ามาก

  • แค่ลดการใช้งานที่ทดแทนได้ เช่น งานเชื่อม การยกตัว และก๊าซ purge ก็สามารถ ชดเชยปริมาณการผลิตทั้งประเทศของกาตาร์ ได้แล้ว
    ถ้าเพิ่มการรีไซเคิลเข้าไปด้วย ปัญหาอุปทานก็น่าจะบรรเทาได้มาก

  • กำลังมีการทดลอง แทนที่ฮีเลียมบางส่วนด้วยไฮโดรเจน ในก๊าซผสมสำหรับการดำน้ำ
    ความเสี่ยงด้านไฟไหม้และผลกระทบทางสรีรวิทยายังไม่ชัดเจน แต่สำหรับการดำน้ำเชิงพาณิชย์ การทหาร และการสำรวจ ก็ดูมีศักยภาพ
    นักดำน้ำสันทนาการทั่วไปคงไม่มีเหตุผลต้องใช้ไฮโดรเจน
    บทความที่เกี่ยวข้อง

    • คิดว่าการพัฒนา โดรนใต้น้ำ แทนการให้มนุษย์ลงไปดำน้ำเองน่าจะดีกว่า
      ถ้าเพิ่มความแม่นยำของแขนกลที่ควบคุมจากระยะไกล ก็น่าจะทดแทนได้เพียงพอ
    • นักดำน้ำสันทนาการทั่วไปแทบไม่ใช้ฮีเลียมเลย

  • ตอนของ พอดแคสต์ Odd Lots น่าสนใจมาก
    เขาเล่าเรื่องที่สหรัฐขายคลังสำรองฮีเลียมเชิงยุทธศาสตร์ในราคาถูกโดยมองว่าเป็น “ของทำลูกโป่ง” รวมถึงความ ยากในการผลิต ทำให้บริสุทธิ์ และขนส่งฮีเลียม

    • ที่จริงการขายคลังสำรองไม่ได้เกิดขึ้นรวดเดียว แต่ค่อย ๆ ดำเนินไป
      ตอนนั้นมูลค่าเชิงยุทธศาสตร์ของฮีเลียมต่ำ และในยุคสงครามเย็นการใช้งานหลักคือ บอลลูนทหารเพื่อการลาดตระเวน
      ไม่มีใครรู้ว่าต่อมามันจะกลายเป็นทรัพยากรจำเป็นต่อ semiconductor lithography
    • เพราะสหรัฐเป็นผู้จัดหารายใหญ่ ตลาดจึงบิดเบือน
      การใช้คลังสำรองเชิงยุทธศาสตร์เป็นเหมือนแหล่งอุปทานถาวรและ กดราคาลงโดยเทียม นำไปสู่วิกฤตขาดแคลนในปัจจุบัน
    • พูดเล่น ๆ ว่า ถ้าขึ้นไปถึงชั้นบรรยากาศตอนบน อาจจะมีฮีเลียมอยู่เยอะก็ได้

  • สิ่งที่น่ากังวลที่สุดคือการพึ่งพา EUV lithography
    MRI ลดการใช้ได้มากกว่า 90% ด้วยการออกแบบแบบไม่เกิดการระเหย แต่ในกระบวนการผลิต semiconductor กลับมีการใช้ฮีเลียมต่อเวเฟอร์เพิ่มขึ้น
    นี่ไม่ใช่ปัญหาเรื่องการรีไซเคิล แต่เป็น ปัญหาอุปสงค์ที่เพิ่มขึ้น

    • ถึงอย่างนั้น โรงงาน EUV ก็ยังมีกำลังจ่ายในราคาที่สูงกว่าอุตสาหกรรมอื่นมาก

  • ผลกระทบทางเศรษฐกิจ จากความปั่นป่วนในซัพพลายเชนฮีเลียมอาจยืดเยื้อไปอีกหลายสิบปี
    โดยเฉพาะอย่างยิ่งน่ากังวลที่มีคนน้อยเกินไปในสหรัฐที่ตระหนักถึงความร้ายแรงของปัญหานี้

  • ทำให้นึกถึงบทความของอาซิมอฟชื่อ The Vanishing Element ที่อ่านเมื่อยุค 1980
    เขาเคยเตือนว่าฮีเลียมเมื่อปล่อยสู่บรรยากาศแล้ว เป็น ทรัพยากรที่หายไปสู่อวกาศ
    รู้สึกเหมือนคำทำนายนั้นกลายเป็นจริงแล้ว

    • แต่ในความเป็นจริง ฮีเลียมไม่ได้ลอยขึ้นไปแล้วหายไปเฉย ๆ
      ในบรรยากาศมันจะผสมกับอากาศ และมีเพียงบางส่วนเท่านั้นที่ถึงความเร็วหลุดพ้น
      บางส่วนหลุดออกสู่อวกาศจากปัจจัยซับซ้อน เช่น ลมสุริยะ แต่ กลไกที่แน่ชัดยังเป็นประเด็นถกเถียง อยู่