Parametry gazu ziemnego muszą mieścić się w określonych normach. Dotyczy to na przykład jego składu. „Surowy” gaz zawiera przeróżne domieszki. Niektóre z nich są zbędne, a niektóre są na wagę złota. Na przykład hel. Pierwiastek o wielu różnych zastosowaniach, którego Polska jest jednym z największych producentów na świecie.
Wydobywany przez PGNiG SA w zachodniej Polsce gaz ziemny należy do gazów zaazotowanych. Oznacza to, że obok podstawowego składnika – metanu, zawiera nawet kilkadziesiąt procent niepalnego, a więc niepożądanego na ogół azotu. Istnieją co prawda lokalne sieci, w których odbiorcy są przystosowani do zużywania gazu zaazotowanego, jednak polskim, europejskim i światowym standardem jest gaz wysokometanowy zawierający raptem kilka procent składników niepalnych. Dlatego większość gazu zaazotowanego, przed skierowaniem do odbiorców, jest z azotu oczyszczana. Przy okazji usuwa się domieszki dwutlenku węgla, wody, siarkowodoru czy rtęci. Ale kiedy w latach 60. zaczynano eksploatację złóż gazu na Niżu Polskim, okazało się, że tamtejszy gaz zawiera także nawet dziesiąte części procenta helu.
Ten szlachetny gaz został odkryty w XIX wieku poza Ziemią. Podczas obserwacji zaćmień Słońca, w koronie słonecznej zauważono niezwykłe linie widmowe, które należały do nieznanego wówczas pierwiastka, nazwanego od tamtej pory helem od greckiego boga słońca – Heliosa. Przez dekady uważano, że występuje on jedynie w gwiazdach. Dopiero w 1904 r. po raz pierwszy stwierdzono obecność helu na naszej planecie. „Dziwny niepalny gaz” odkryto w mieszaninie gazowej wydobywającej się z otworu wywierconego pod Dexter w amerykańskim stanie Kansas.
Przez wiele lat USA były jedynym producentem tego gazu, który – jako lżejszy od powietrza – znalazł najpierw zastosowanie w baloniarstwie, ale potem okazał się niezbędny w wielu bardzo zaawansowanych technologiach. Co więcej, okazało się, że gaz ziemny jest jedynym dającym się praktycznie wykorzystać na większą skalę źródłem helu.
Zobacz także: W Polsce wciąż odkrywamy nowe zasoby gazu
– Chociaż w Kosmosie to drugi po wodorze najpowszechniej występujący pierwiastek, to na Ziemi jego zasoby są ograniczone i nieodnawialne – opowiada dyrektor techniczny oddziału PGNiG w Odolanowie Katarzyna Chołast. W atmosferze trafia się jedna cząsteczka helu na miliard innych, w wodzie – na trylion. Złoża gazu ziemnego to jedyne miejsce, gdzie hel może się koncentrować w stężeniu opłacalnym dla jego odzysku. A w polskich gazach zaazotowanych jest go dostatecznie dużo – od 0,1 do 0,4 proc. – podkreśla.
Hel jest wyjątkowy – to najzimniejsza ciekła substancja we Wszechświecie – minus 269 stopni Celsjusza, tylko 4 stopnie powyżej zera bezwzględnego. W tej temperaturze wszystkie inne pierwiastki, włącznie z lżejszym wodorem są już zestalone.
To doskonałe chłodziwo do generujących potężne pola magnetyczne magnesów nadprzewodzących, wykorzystujących zjawisko nadprzewodnictwa, czyli przewodzenia prądu elektrycznego bez żadnego oporu. W większości materiałów pojawia się ono dopiero w ekstremalnie niskich temperaturach.
Zobacz także: Skąd się bierze gaz ziemny?
Takie chłodzone ciekłym helem magnesy są sercem każdego urządzenia wykorzystującego rezonans magnetyczny – od powszechnych w medycynie urządzeń diagnostycznych po naukowe. Ale nadprzewodzące magnesy pracują też w akceleratorach cząstek, jak choćby Wielki Zderzacz Hadronów.
Hel służy też do utrzymania w stanie ciekłym wodoru, służącego jako paliwo rakietowe.
Ale hel wykorzystywany jest też w formie gazowej. Ze względu na niewielką molekułę jest idealny do testowania szczelności, chociażby poduszek powietrznych czy układów klimatyzacyjnych. Jako obojętny gaz szlachetny niewchodzący w reakcje chemiczne, jest powszechnie stosowany w spawalnictwie, jako osłona spawu przed utlenieniem. Hel jest też stosowany w mieszaninach oddechowych przy głębokim nurkowaniu.
Jak w praktyce wygląda produkcja helu w Polsce? Już w latach 70. w Odolanowie uruchomiono instalację do oczyszczania i skraplania helu – pierwszą na świecie poza terytorium USA. Dziś instalacja, której właścicielem jest PGNiG SA, jako jedyna produkuje hel w UE.
Do Odolanowa trafia z okolicznych złóż ponad 1 mld metrów sześciennych gazu zaazotowanego rocznie.
– Pierwszą rzeczą, jaką się robi z gazem po jego wydobyciu ze złoża, jest oddzielenie wody czy kondensatów (mieszaniny węglowodorów). Z gazu przesłanego do odazotowni, jak naszej, usuwane są kolejne składniki – tłumaczy dyrektor Katarzyna Chołast. Z oddzieleniem dwutlenku węgla radzimy sobie za pomocą mokrej absorpcji aminowej; wilgoci pozbywamy się w adsorberach ze złożem z sit molekularnych , a węglowodorów ciężkich – w adsorberach z węglem aktywnym – dodaje.
Typowy skład mieszaniny po tej serii procesów to dwie trzecie metanu, jedna trzecia azotu i ok. 0,2 proc. helu. Aby rozdzielić jej składniki, niezbędna jest już technologia niskotemperaturowa. Mieszanina zostaje schłodzona do temperatury poniżej -160 stopni Celsjusza, w której można wykorzystać różnice w temperaturze wrzenia jej składników. W tych warunkach metan pozostaje w formie ciekłej, a mieszanina azotu z helem – gazowej. Ciekły metan, czyli tak naprawdę skroplony gaz ziemny LNG, zostaje zregazyfikowany przez ogrzanie i wtłoczony do sieci gazowej.
Membrany do odzysku helu zabudowane przy kopalni gazu ziemnego Kościan-Brońsko są wśród pierwszych tego typu na świecie dedykowanych komercyjnemu pozyskiwaniu helu.
– To, co otrzymujemy z niskotemperaturowej destylacji, jest 80-procentowym koncentratem helu, który musimy doczyścić. To oczyszczenie polega na usunięciu wodoru poprzez jego utlenienie, a następnie powstałej w tej reakcji wody. Potem pozbywamy się pozostałości azotu i tlenu, i w końcu argonu – mówi Katarzyna Chołast. Osiąga się to przez obniżanie temperatury i usuwanie kolejno skraplających się gazów. Do usunięcia argonu potrzeba już temperatury poniżej – 250 stopni Celsjusza.
Zobacz także: Jak i gdzie wydobywamy gaz w Polsce?
W takich warunkach w fazie gazowej pozostaje już jedynie hel, który daje się skroplić po dalszym schłodzeniu, do temperatury poniżej – 268 stopni Celsjusza.
Ciekły hel może wreszcie trafić do odbiorców. Jednak zarówno jego przechowywanie, jak i transport w tak niskiej temperaturze wymagają specjalnej techniki. Najważniejszą kwestią jest zastosowanie odpowiedniej izolacji z wykorzystaniem głębokiej próżni. I tak w zbiorniku magazynującym hel izolacja jest na tyle efektywna, że umieszczona w nim szklanka wrzącej wody ostygłaby w ciągu roku zaledwie o 1 stopień Celsjusza!
Polska jest jednym z sześciu krajów – producentów helu na świecie. Roczna produkcja od kilku lat utrzymuje się na poziomie 3 mln metrów sześciennych.
Oprócz Odolanowa odzysk helu prowadzony jest jeszcze w instalacji odazotowania w Grodzisku Wielkopolskim oraz na instalacji membranowej przy kopalni Kościan-Brońsko. Jednak do ostatecznego doczyszczenia i skroplenia cały odzyskany hel trafia do Odolanowa.
