Connaissez-vous l’histoire d’un gaz que vous utilisez peut-être chaque jour dans votre laboratoire ?
L’hélium est depuis des décennies le gaz vecteur de référence pour les laboratoires et les industriels utilisant la chromatographie en phase gazeuse (GC et microGC). On verra plus loin dans cet article, les raisons évidentes de ce choix. Mais revenons un peu sur l’origine de ce gaz si quotidien au laboratoire afin de comprendre aussi les enjeux face aux pénuries à répétition et à l’explosion de ses coûts. Petit à petit, son utilisation est aujourd’hui remise en question. Retour sur l’histoire fascinante de ce gaz, son marché mondial complexe et les raisons qui poussent aujourd’hui les laboratoires à se tourner vers l’hydrogène.
Un gaz repéré dans l’espace
Fait exceptionnel dans l’histoire des sciences : l’hélium a été découvert dans l’espace bien avant d’être identifié sur Terre. Le 18 août 1868, lors d’une éclipse solaire totale en Inde, les astronomes Jules Janssen (français) et Norman Lockyer (britannique) observent indépendamment une raie jaune inconnue dans le spectre de la chromosphère du Soleil. Lockyer nomme ce nouvel élément « hélium », du grec hélios (Soleil). Ce n’est que plus de 20 ans plus tard, en 1895, que l’hélium sera officiellement isolé sur Terre.
Spectre d’émission de l’Hélium – Longueur d’onde en nm
Origine sur Terre et ressource limitée : Une formation au ralenti
Contrairement à l’hydrogène ou à l’oxygène, l’hélium n’est pas un gaz renouvelable à l’échelle humaine. Sur Terre, l’hélium (isotope ^4He) se forme par la lente désintégration radioactive d’éléments lourds, principalement l’uranium et le thorium, présents dans la croûte terrestre.
Cette formation prend des millions d’années. L’hélium migre alors vers la surface et se retrouve piégé dans des roches imperméables, formant des poches souvent mélangées au gaz naturel. Une fois libéré à l’air libre, sa légèreté fait qu’il échappe à la gravité terrestre et se perd définitivement dans l’espace. Nous consommons donc aujourd’hui en quelques décennies un gaz qui a mis des millions d’années à se former. Vous y penserez en réglant votre taux de split !
L’hélium …et les énergies fossiles
L’hélium pur n’existe pas sous forme de gisement exploitable tel quel. Il est extrait en tant que sous-produit de l’industrie du gaz naturel. Lorsqu’un gisement de gaz naturel contient une concentration d’hélium jugée rentable (généralement entre 0,3 % et quelques pourcents), celui-ci est séparé lors du processus de liquéfaction du gaz naturel (GNL).
Par conséquent, l’approvisionnement en hélium est intrinsèquement lié à l’extraction des énergies fossiles. Son empreinte carbone est donc très lourde, car elle dépend des infrastructures pétro-gazières, de la purification cryogénique (extrêmement énergivore, l’hélium se liquéfiant à -269°C) et d’un transport mondial très complexe.
Consommation mondiale : Les chiffres clés du marché
Le marché mondial de l’hélium est sous tension permanente. En 2023, la consommation mondiale s’est élevée à environ 170 millions de mètres cubes.
- Les principaux producteurs : Les États-Unis dominent historiquement le marché, suivis de près par le Qatar, l’Algérie et la Russie.
- La situation en France : La France ne produit pas d’hélium commercial. En 2023, les importations françaises s’élevaient à un peu plus de 6 millions de m³, provenant très majoritairement d’Algérie (à 87%).
- Les plus gros consommateurs : Si les techniques analytiques et la recherche en consomment une part significative, les plus gros volumes sont absorbés par l’imagerie médicale (refroidissement des aimants d’IRM, ~17% du marché), l’industrie des semi-conducteurs, et le soudage.
L’Hélium en GC et microGC : Performance et sécurité
En chromatographie en phase gazeuse, l’hélium est le gaz vecteur par excellence. Pourquoi une telle évidence chez les utilisateurs d’analyseurs comme ceux proposés par Chemlys ?
- La sécurité : L’hélium est un gaz inerte, ininflammable et non toxique. Il ne présente aucun risque d’explosion en laboratoire.
- La performance : Il possède une conductivité thermique très élevée (seul l’hydrogène fait mieux). C’est une caractéristique déterminante pour l’utilisation des détecteurs TCD (Thermal Conductivity Detector), qui équipent la très grande majorité des microGC. Petit, il permet d’attendre de bonnes vitesses dans la colonne et d’obtenir une excellente séparation des composants (belle chromatographie) avec une très grande sensibilité.
Cela est très bien illustré avec les courbes de van Deemter comparant l’efficacité des principaux gaz vecteurs en chromatographie en phase gazeuse (CPG). Ci dessous : Évolution de la hauteur équivalente à un plateau théorique (H) en fonction de la vitesse linéaire (u) pour trois gaz vecteurs : l’azote (N2, en bleu), l’hélium (He, en rouge) et l’hydrogène (H2, en vert). L’efficacité de la colonne est maximale lorsque la valeur H est la plus basse.
- Azote (N2) : Offre une excellente efficacité à très faible vitesse, mais la perte d’efficacité est abrupte dès que la vitesse augmente, ce qui le rend inadapté aux analyses rapides.
- Hélium (He) : Constitue un bon compromis standard, atteignant son efficacité optimale à des vitesses intermédiaires.
- Hydrogène (H2) : Présente la courbe la plus plate et un minimum décalé vers la droite, ce qui permet d’utiliser des débits de gaz très élevés (pour des analyses beaucoup plus rapides) tout en conservant une excellente séparation.
L’évolution prix depuis 1950 : De l’abondance à la pénurie marché
Après la Seconde Guerre mondiale, les États-Unis ont massivement stocké l’hélium (considéré comme stratégique pour la Guerre froide et la conquête spatiale) dans la réserve de Cliffside au Texas.
Après la Seconde Guerre mondiale, les États-Unis ont massivement stocké l’hélium (considéré comme stratégique pour la Guerre froide et la conquête spatiale) dans la réserve de Cliffside au Texas.
Le tournant majeur a lieu en 1996 avec le Helium Privatization Act. Pour rembourser les dettes liées à ce stockage, le gouvernement américain a décidé de liquéfier cette réserve fédérale à des prix artificiellement bas. Cette abondance a rendu l’hélium extrêmement bon marché dans les années 2000. Mais à mesure que la réserve s’est vidée (elle est aujourd’hui presque épuisée), l’offre mondiale a chuté. Depuis les années 2010, le marché subit ce qu’on appelle les « Helium Shortages » (pénuries 1.0, 2.0, 3.0…). En conséquence, son prix a explosé, se multipliant parfois par 3 ou 4 sur de courtes périodes.
Réserve de Cliffside au Texas (Photo du Bureau of Land Management des États-Unis )
Le remplacement par l’hydrogène
Face à la flambée des coûts et aux ruptures de chaîne d’approvisionnement (instabilité géopolitique, dépendance aux rares pays producteurs, embargo, etc.), les laboratoires opèrent une transition stratégique vers l’hydrogène.
Une transition écologique
- Autonomie logistique : L’hydrogène peut être produit directement sur site, à la demande, grâce à un générateur d’hydrogène (électrolyse de l’eau). Fini la gestion des bouteilles haute pression, les contrats de location et la dépendance aux livraisons internationales.
- Écologie : L’hydrogène généré sur site à partir d’électricité renouvelable présente une empreinte carbone quasi nulle, décorrélée des énergies fossiles.
… et stratégique
- Performances chromatographiques supérieures : En GC, l’hydrogène permet des temps d’analyse légèrement plus rapides que l’hélium tout en conservant une excellente résolution.
- Sécurité maîtrisée : Si l’hydrogène est inflammable, les générateurs modernes et les GC/microGC actuels intègrent des sécurités avancées (détecteurs de fuites, très faible volume de gaz stocké en interne) qui rendent son utilisation parfaitement sûre en laboratoire.
