Helium ist nach Wasserstoff das zweithäufigste Element im Universum. Auf der Erde ist es jedoch selten und nur aufwendig zu gewinnen. Die Atmosphäre enthält lediglich etwa 5 ppm Helium; eine industrielle Gewinnung aus Luft ist daher unwirtschaftlich. Fast das gesamte Helium für Medizin, Elektronik, Schweißtechnik und Labore wird aus Erdgas gewonnen. Vom unterirdischen Vorkommen bis zur Gasflasche durchläuft es mehrere Trennungs-, Reinigungs- und häufig auch Verflüssigungsstufen.
In jeder Prozessstufe muss bekannt sein, wie viel Helium das Gas enthält. Davon hängen die Betriebsparameter der Trennanlagen, die Produktausbeute und die Qualität des Endprodukts ab. Zur kontinuierlichen Überwachung der Heliumkonzentration in Prozessströmen kann ein inline installiertes Helium-Messgerät eingesetzt werden. Hohe Reinheitsgrade müssen dagegen mit Analyseverfahren bestätigt werden, die einzelne Verunreinigungen bestimmen.
Dieser Artikel erklärt, woher Helium auf der Erde stammt, in welchen Ländern es gewonnen wird, wie man es aus Erdgas abtrennt und reinigt und wie seine Qualität entlang der Prozesskette kontrolliert wird.
Woher stammt Helium auf der Erde?
Das meiste Helium in natürlichen Lagerstätten entsteht in der Erdkruste durch den radioaktiven Zerfall von Uran und Thorium. Beim Alphazerfall wird ein Alphateilchen freigesetzt – der Kern eines Heliumatoms. Über Millionen Jahre sammelt sich Helium in Gesteinsformationen, wandert in unterirdische Speicher und kann dort durch undurchlässige Deckschichten eingeschlossen werden, ähnlich wie Erdgas.
Helium kommt deshalb häufig zusammen mit Erdgas vor, allerdings meist nur in geringen Konzentrationen. Wirtschaftlich wird die Gewinnung bei einem ausreichend hohen Heliumanteil oder bei der Verarbeitung sehr großer Gasmengen, etwa in LNG-Anlagen. Erkundet werden außerdem Lagerstätten, deren Gas überwiegend aus Stickstoff oder Kohlendioxid statt aus Kohlenwasserstoffen besteht.
Helium entweicht allmählich aus den oberen Atmosphärenschichten ins Weltall. Wegen seines sehr geringen Anteils in der Luft lohnt sich die Gewinnung aus der Atmosphäre wirtschaftlich nicht.
Wo wird Helium gewonnen?
Die Heliumproduktion konzentriert sich auf wenige Länder. Zu den wichtigen Produzenten zählen laut dem U.S. Geological Survey (USGS) die USA, Katar, Algerien und Russland. Auch in Kanada, China, Polen und Südafrika wird Helium produziert. Neue Anlagen wurden in Betrieb genommen, während in verschiedenen Regionen weitere Vorkommen erkundet werden.
Deutschland verfügt über keine nennenswerte eigene Heliumproduktion und ist auf Importe angewiesen. Das Gas wird entweder flüssig in speziellen isolierten Behältern oder verdichtet in Gasflaschen und Flaschenbündeln geliefert. Störungen an großen Produktionsstandorten können sich daher auf die Versorgung europäischer Abnehmer auswirken.
Abbildung 1. In geeigneten Erdgasaufbereitungsanlagen kann Helium aus ausgewählten Prozessströmen gewonnen werden.
Wie wird Helium aus Erdgas gewonnen?
Die genaue Prozessführung hängt von der Zusammensetzung des Ausgangsgases und der jeweiligen Anlage ab. Die wesentlichen Schritte sind jedoch ähnlich.
Abbildung 2. Typische Prozesskette der Heliumgewinnung – von der Erdgasaufbereitung bis zum Flüssighelium. Orange Punkte markieren Messstellen für die Heliumkonzentration.
1. Gasaufbereitung
Wasser, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff werden entfernt, da sie bei tiefen Temperaturen gefrieren oder nachgelagerte kryogene Anlagen beeinträchtigen können. Übliche Verfahren sind Absorption, Adsorption und Trocknung.
2. Kryogene Trennung
Das aufbereitete Gas wird stark abgekühlt. Methan und schwerere Bestandteile werden kondensiert oder abgetrennt; Helium bleibt aufgrund seines extrem niedrigen Siedepunkts gasförmig. Stickstoff kann zunächst zusammen mit Helium in der Gasphase verbleiben und wird in weiteren Tieftemperaturstufen abgetrennt. In LNG-Anlagen kann sich Helium im Flash- oder Boil-off-Gas anreichern. In Stickstoffabtrennungsanlagen wird es aus heliumhaltigen Stickstoffströmen gewonnen.
Als typische Zusammensetzung von Rohhelium werden häufig etwa 60–80 % Helium angegeben; der Rest besteht hauptsächlich aus Stickstoff sowie kleineren Anteilen anderer Gase. Die tatsächlichen Konzentrationen hängen vom Ausgangsgas und vom Verfahren ab.
3. Reinigung
Rohhelium wird unter anderem durch Druckwechseladsorption (PSA), weitere kryogene Trennschritte und bei Bedarf durch katalytische Entfernung von Wasserstoff mit anschließender Trocknung gereinigt. Dabei werden verbliebener Stickstoff, Methan, Wasserstoff und andere Verunreinigungen entfernt.
4. Verflüssigung und Transport
Gereinigtes Helium lässt sich bei Atmosphärendruck nahe 4,2 K (etwa −269 °C) verflüssigen. In speziell isolierten Behältern wird es über weite Strecken transportiert. Abnehmer nutzen es entweder als kryogene Flüssigkeit oder verdampfen es zur Versorgung mit Druckgas.
Lagerung und Transport: Warum Zeit eine Rolle spielt
Flüssiges Helium wird in vakuumisolierten Kryobehältern gelagert und transportiert, teils mit zusätzlichen Wärmeschutzsystemen. Ein Wärmeeintrag lässt sich nicht vollständig verhindern, weshalb ständig ein Teil des Heliums verdampft. Druckmanagement und zulässige Lagerdauer sind daher wichtige Betriebsparameter. Verzögerungen können die Verluste erhöhen, wenn das verdampfte Gas nicht zurückgehalten oder zurückgewonnen werden kann.
Beim Abnehmer kann Flüssighelium in Kryostaten umgefüllt oder verdampft, verdichtet und in Flaschen abgefüllt werden. Bei Umfüllvorgängen und Anschlüssen besteht zudem die Gefahr von Verunreinigungen. Deshalb sind Qualitätskontrollen bei der Verteilung und am Einsatzort wichtig.
Abbildung 3. Kryogene Transporttechnik für die Verteilung verflüssigter Gase.
Wie verändert sich der Heliummarkt?
Neue Investitionen haben die Kapazitäten zur Heliumgewinnung erweitert. Gleichzeitig werden auch Vorkommen außerhalb klassischer kohlenwasserstoffreicher Gasfelder erschlossen. Das Angebot bleibt jedoch geografisch konzentriert. Von der EU und den USA eingeführte Beschränkungen für russisches Helium beeinflussen ebenfalls den internationalen Handel. Für industrielle Verbraucher wird es deshalb wichtiger, Verluste zu verringern und Rückgewinnung sowie Wiederverwendung zu prüfen.
Zurückgewonnenes Helium kann zugekauftes Gas ergänzen. Gesammelte Gasströme enthalten jedoch häufig Luft und weitere Verunreinigungen. Vor einer erneuten Verwendung müssen die Heliumkonzentration geprüft und das Gas gereinigt werden. Dafür gelten im kleineren Maßstab ähnliche Messprinzipien wie in Produktionsanlagen.
Welche Reinheitsgrade gibt es?
Helium wird in unterschiedlichen Reinheitsgraden angeboten. Nach Angaben des USGS enthält Grade-A-Helium mindestens 99,997 % Helium. In europäischen Industriegaskatalogen bezeichnen Angaben wie 4.6, 5.0 und 6.0 den nominellen Mindestgehalt.
| Reinheitsgrad | Mindestgehalt Helium | Typische Anwendungen |
| 4.6 | 99.996% | Schweißen und allgemeine technische Anwendungen |
| 5.0 | 99.999% | Gaschromatographie und Laborgeräte |
| 6.0 | 99.9999% | Halbleiterfertigung und hochempfindliche Analytik |
Zusätzlich werden Grenzwerte für einzelne Verunreinigungen festgelegt, darunter gegebenenfalls Stickstoff, Sauerstoff, Feuchtigkeit, Wasserstoff, Neon, Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Die konkreten Grenzwerte richten sich nach Lieferantenspezifikation und Anwendung.
Wie wird die Reinheit in den einzelnen Stufen kontrolliert?
Die Qualitätskontrolle begleitet das Gas von der Lagerstätte bis zum fertigen Produkt. Je nach Prozessstufe werden unterschiedliche Messgrößen und Verfahren benötigt.
| Prozessstufe | Was wird kontrolliert? | Typische Verfahren |
| Erdgas am Eingang | Helium und Hauptbestandteile | Gaschromatographie |
| Rohhelium | Heliumanteil in stickstoffreichen Gasgemischen | Wärmeleitfähigkeit; Gaschromatographie |
| Reinigungsstufen | Heliumkonzentration und Restverunreinigungen | Wärmeleitfähigkeit; Gaschromatographie; Feuchte- und Sauerstoffanalysatoren |
| Endprodukt | Einhaltung des Reinheitsgrades und Spurenverunreinigungen | Empfindliche chromatographische Verfahren; Feuchte- und Sauerstoffanalysatoren |
| Beim Verbraucher | Eingangsqualität und Zusammensetzung des Rückgewinnungsgases | Wärmeleitfähigkeit; Laboranalyse |
Die Wärmeleitfähigkeitsmessung eignet sich zur kontinuierlichen Bestimmung der Heliumkonzentration, wenn Helium überwiegend mit einem bekannten Hintergrundgas wie Stickstoff gemischt ist. Helium leitet Wärme deutlich besser als Stickstoff. Aus der Wärmeabfuhr eines Sensors lässt sich daher auf die Konzentration schließen. Das Verfahren eignet sich besonders für binäre und quasibinäre Gemische. Druckeinflüsse und Änderungen der Hintergrundgaszusammensetzung müssen berücksichtigt werden.
Bei sehr hohen Reinheitsgraden reicht die Bestimmung der gesamten Heliumkonzentration nicht aus: Schon kleinste Mengen bestimmter Verunreinigungen können entscheidend sein. Die Gaschromatographie trennt und quantifiziert einzelne Komponenten; spezielle Feuchte- und Spuren-Sauerstoffanalysatoren ergänzen die Messung. Chromatographische Analysen erfolgen normalerweise in Messzyklen.
Warum ist die kontinuierliche Konzentrationsmessung wichtig?
Anlagen zur Heliumgewinnung und -reinigung laufen häufig kontinuierlich. Gleichzeitig verändert sich die Zusammensetzung des Ausgangsgases, etwa beim Umschalten von Bohrungen, bei veränderten Betriebsbedingungen einer LNG-Anlage oder bei Lastschwankungen. Dadurch kann auch der Heliumgehalt in Zwischenströmen variieren. Wenn ein PSA-Adsorber seine Durchbruchgrenze erreicht oder eine kryogene Trennstufe vom Sollbetrieb abweicht, können unerwünschte Komponenten in nachfolgende Prozessstufen gelangen. Kontinuierliche Messungen ermöglichen eine schnelle Reaktion; Laborproben dienen als ergänzende Bestätigung.
Warum ist die Reinheitskontrolle auch beim Verbraucher wichtig?
Selbst Helium der Reinheitsgrade 5.0 oder 6.0 kann zwischen Gasflasche und Gerät verunreinigt werden, etwa durch undichte Anschlüsse, Restluft oder ungeeignete Schläuche. Viele Anwender prüfen deshalb die Eingangsqualität und setzen bei Bedarf Reinigungsfilter direkt am Verbrauchsort ein. In Einrichtungen, die verdampftes Helium zurückgewinnen – beispielsweise Laboren mit NMR-Spektrometern –, hilft die Überwachung des gesammelten Gasstroms dabei, Lufteintrag und Eignung für die weitere Reinigung zu beurteilen.
Häufig gestellte Fragen
Kann Helium wie Argon aus Luft gewonnen werden?
Grundsätzlich ja, doch Luft enthält nur etwa 5 ppm Helium. Argon macht dagegen fast 1 % der Luft aus und wird regelmäßig in Luftzerlegungsanlagen gewonnen. Kommerziell stammt Helium deshalb aus geeigneten unterirdischen Gasvorkommen.
Warum kann man Helium nicht einfach künstlich herstellen?
Helium ist ein chemisches Element und lässt sich nicht durch gewöhnliche chemische Reaktionen aus anderen Stoffen erzeugen. Kernprozesse können Helium bilden, sind aber keine praktikable Quelle für kommerzielle Mengen.
Warum ist Helium so teuer?
Nur wenige Anlagen gewinnen Helium, und Abtrennung, Reinigung sowie kryogene Handhabung erfordern spezielle Technik. Die Konzentration der Produktion auf wenige Standorte und Transportbeschränkungen machen die Versorgung störanfällig.
Welche Heliumreinheit benötigt die Gaschromatographie?
Häufig wird Reinheitsgrad 5.0 (99,999 %) eingesetzt. Die erforderliche Reinheit und die zulässigen Verunreinigungen hängen jedoch vom Gerät, Detektor und Verfahren ab. Maßgeblich sind die Herstellervorgaben.
Worin unterscheidet sich Rohhelium von handelsüblichem Helium?
Rohhelium ist ein heliumreicher Zwischenstrom, der oft erhebliche Mengen Stickstoff enthält. Handelsübliches Helium wird auf einen festgelegten Reinheitsgrad gereinigt, meist deutlich über 99,9 %, und besitzt Grenzwerte für einzelne Verunreinigungen.
Was ist Helium-3?
Helium-3 ist ein seltenes Isotop. In den USA wird es aus dem Zerfall von Tritium gewonnen. Es wird unter anderem in der Neutronendetektion und Tieftemperaturforschung eingesetzt und unterscheidet sich vom üblichen Handelshelium-4.
Fazit
Helium entsteht durch radioaktiven Zerfall in der Erdkruste und kann sich in unterirdischen Gaslagerstätten ansammeln. Die industrielle Gewinnung umfasst meist Gasaufbereitung, kryogene Trennung, Reinigung und – für den Ferntransport – Verflüssigung. Deutschland ist auf Importe angewiesen. Kontinuierliche Konzentrationsmessungen helfen, heliumreiche Prozessströme zu überwachen; hohe Reinheitsgrade müssen durch die Bestimmung einzelner Verunreinigungen bestätigt werden. Die Wärmeleitfähigkeitsmessung ist besonders bei einem stabilen, bekannten Hintergrundgas geeignet.
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