Cómo afrontar la escasez de helio

Según un viejo refrán, “lo que sube debe bajar”. Desafortunadamente, eso no es cierto ni para un globo lleno de helio ni para el helio utilizado en aplicaciones de prueba de fugas.

Desde enero de 2022, hay escasez mundial de helio. La guerra en Ucrania ha cortado el suministro de helio de Rusia, uno de los principales exportadores de gas. Cuatro de los cinco principales proveedores de helio del mundo se vieron obligados a racionar el gas para sus clientes, incluidos los fabricantes que dependen de él para detectar fugas en electrodomésticos, autopartes, dispositivos médicos y otros productos.

Los ensambladores se han visto obligados a arriesgarse y pagar más por el helio o buscar alternativas.

El helio es un gas inerte popular para una variedad de aplicaciones analíticas, criogénicas, de transferencia de calor, de elevación, de detección de fugas y de protección. Los mayores usuarios industriales de helio son los hospitales, donde se utiliza la temperatura extremadamente baja del helio líquido para mantener las propiedades superconductoras de los imanes en los equipos de resonancia magnética. También se utiliza como refrigerante para transferir calor de forma eficaz, gracias a su alta conductividad térmica, en las industrias de fibra óptica y electrónica.

Esas aplicaciones representan aproximadamente el 40 por ciento del mercado. Los globos de fiesta representan otro 15 por ciento, mientras que las pruebas de fugas sólo representan alrededor del 5 por ciento del uso de helio.

La prueba de fugas de helio en vacío duro es el más preciso y eficiente de todos los sistemas de detección de fugas de gas trazador y se utiliza para probar piezas con tasas de fuga extremadamente pequeñas. Proporciona una mejor repetibilidad que otros métodos de detección de fugas de gas trazador, ofrece tiempos de ciclo más cortos y es menos susceptible a la temperatura y otros factores ambientales externos. Otros beneficios incluyen un tiempo de ciclo rápido y una alta repetibilidad.

Las pruebas de fuga de helio al vacío se pueden realizar utilizando un método "de adentro hacia afuera" o "de afuera hacia adentro". Ambos métodos brindan beneficios similares, pero la prueba de vacío duro de adentro hacia afuera puede proporcionar un mayor nivel de sensibilidad y tiene una menor posibilidad de error humano ya que el proceso de prueba está automatizado. También requiere más equipo que un método de afuera hacia adentro realizado por un operador.

“El helio siempre será necesario para ciertos tipos de pruebas”, dice Gordon Splete, gerente global de productos de Cincinnati Test Systems Inc. “Hoy en día hay más demanda de helio, porque las tasas de fuga están disminuyendo en muchas aplicaciones.

"El mayor beneficio de utilizar helio es que es un gas no reactivo, por lo que no se desgasifica mediante ningún otro proceso", explica Splete. "Eso hace que sea más fácil de controlar que otros tipos de gases".

Aparte del precio del gas en sí, las pruebas de fugas de helio suelen ser más caras que otros tipos de métodos, como la caída de presión. Esto se debe a que se requiere más hardware y los sensores son más complejos. Pero eso no distrae a algunos fabricantes.

"Hemos experimentado una demanda regular de equipos de detección de fugas de helio a medida que diferentes industrias introducen nuevos productos que tienen especificaciones de prueba más estrictas o están reemplazando detectores de fugas más antiguos que han llegado al final de su vida útil", dice Chris Olsen, director de ingeniería de Corporación de instrumentos de vacío (VIC). "Los productos e industrias que utilizan helio como gas trazador para pruebas de fugas son ilimitados".

Lo utilizan los fabricantes de dispositivos médicos para probar dispositivos implantables como marcapasos. Los fabricantes aeroespaciales utilizan helio para probar interruptores electrónicos y componentes neumáticos de alta presión.

La industria de electrodomésticos utiliza helio para probar acumuladores, bobinas, compresores, válvulas de expansión y otros componentes dentro de aires acondicionados, refrigeradores y equipos de refrigeración comercial.

"Cualquier producto que esté cargado con refrigerantes debe someterse a pruebas rigurosas para detectar fugas, y el helio es la opción preferida", señala Thomas Parker, gerente de ventas del mercado automotriz de América del Norte en Inficon Inc.

Tradicionalmente, el helio se ha utilizado ampliamente en la industria automotriz para probar componentes del sistema de combustible, como inyectores de combustible, rieles de combustible y tanques de gasolina, además de bolsas de aire, ruedas de aluminio y radiadores.

“Actualmente estamos viendo una mayor demanda de helio por parte de fabricantes y proveedores de automóviles”, dice Parker. “Está impulsado principalmente por vehículos eléctricos. Hacemos muchos negocios con fabricantes que utilizan helio para realizar pruebas de fugas en celdas de baterías cilíndricas y componentes de gestión térmica. También es popular para probar las bandejas y tapas utilizadas en los gabinetes de las baterías”.

Según Parker, los paquetes de baterías son tan grandes que es difícil probarlos con un índice de fuga bajo con aire o gas trazador. Los sistemas de refrigeración de baterías, como bombas de calor y placas de refrigeración, son otra aplicación cada vez mayor para las pruebas de fugas de helio.

“Con el cambio a los vehículos eléctricos, la demanda de pruebas de fugas para nuevos componentes está aumentando dramáticamente”, añade Hideki Matsuura, director general de la división de automatización de fábricas de Yamaha Fine Technologies Co. “Una de las aplicaciones más populares hoy en día son las baterías de iones de litio. Las demandas medioambientales de fugas con contaminación cero también están impulsando [el creciente interés en las pruebas de fugas]”.

El helio se encuentra durante la extracción de depósitos de gas natural. Desafortunadamente, hay una cantidad limitada de helio disponible en todo el mundo y el mercado está estrictamente controlado por un puñado de proveedores de gas industrial, incluidos Airgas, Air Products, Linde y Matheson. Es un caso clásico de economía de oferta y demanda.

“Hoy en día hay mucha frustración entre los usuarios de helio, porque estamos en una 'escasez de helio 4.0'”, dice Phil Kornbluth, presidente de Kornbluth Helium Consulting. "Los precios han aumentado dramáticamente en los últimos 16 meses y están en niveles que no habíamos visto antes".

Desde 2006 ha habido cuatro desabastecimientos. "Cada cuatro o cinco años, una especie de 'tormenta perfecta' parece afectar a la industria del suministro de helio", lamenta Parker. “Una vez no había suficientes remolques tubulares para transportar el helio. En otra ocasión, una instalación de gas natural en Wyoming experimentó mucho tiempo de inactividad”.

"El precio del helio se ha multiplicado por más de diez en las últimas dos décadas", añade Kornbluth. “El precio del helio en la fuente aumentó un promedio del 11 por ciento anual entre 2006 y 2022.

"La mayor parte de esta escasez se debe a fallas en la oferta y no al crecimiento de la demanda", afirma Kornbluth. “El último aumento de precios se debe a que los principales proveedores de helio han estado racionando el suministro debido a la guerra en Ucrania.

"Un proyecto reciente de Gazprom en Siberia, que debía convertir la escasez en un exceso de oferta, se retrasó debido a la guerra, lo que provocó mucha incertidumbre en el mercado", explica Kornbluth. “Otro gran proyecto de helio en marcha en Qatar, que entrará en funcionamiento dentro de unos años, debería solucionar la escasez. Esto conducirá sin duda a un exceso de suministro de helio”.

Irónicamente, Estados Unidos alberga los depósitos de helio más grandes del mundo. La Oficina de Gestión de Tierras de EE.UU. opera una reserva federal cerca de Amarillo, Texas, y un sistema de tuberías que suministra helio crudo como gas de alimentación a cuatro plantas de propiedad privada en Kansas y Oklahoma.

“Hace una década, muchos fabricantes pagaban alrededor de 0,25 dólares por un pie cúbico estándar de helio”, dice Parker. “Hace cinco años, oscilaba entre 0,50 y 0,75 dólares por el mismo equivalente. El uso de helio disminuyó durante la pandemia de COVID-19, pero ahora está volviendo a aumentar. Es similar a la forma en que los precios de la gasolina suben y bajan.

"Durante esta escasez anterior, algunos fabricantes recurrieron a otros tipos de gases que se adaptaban a su aplicación de prueba de fugas", señala Parker. "Pero otros han descubierto que el helio es la única solución, por lo que mágicamente encuentran una manera de seguir adelante buscando proveedores alternativos o renegociando contratos para encontrar precios más favorables".

Según Parker, el gas formador de hidrógeno, que es una mezcla de 95 por ciento de nitrógeno y 5 por ciento de hidrógeno, es una buena alternativa al helio para aplicaciones de prueba de fugas.

“Cuesta menos que el helio, pero se pierde cierta sensibilidad”, advierte Parker. “Por ejemplo, no será posible encontrar una fuga tan pequeña como se podría encontrar con helio.

"Otro inconveniente a tener en cuenta es el hecho de que hay muchas otras fuentes de hidrógeno en las fábricas que pueden activar cualquier detector de fugas", dice Parker. “Por ejemplo, podría ser una carretilla elevadora propulsada por propano. Por otro lado, nada más huele a helio. Un detector de fugas de helio sólo detectará helio.

"Hemos realizado algunos proyectos importantes con grandes fabricantes de HVAC que han pasado del helio al gas formador de hidrógeno", señala Parker. “Algunos de esos clientes estaban más preocupados por el suministro de helio a largo plazo que por las fluctuaciones actuales de los precios.

"Algunos ingenieros creen erróneamente que pueden pasar del helio al hidrógeno sin consecuencias", explica Parker. “Es importante darse cuenta de que, si bien existen alternativas al helio, no es una solución lista para usar.

"Si se cambia del helio, hay compensaciones y se renunciará a algo, como la sensibilidad", afirma Parker. “Si renuncias a la sensibilidad en una prueba previa, tienes que hacer un mejor trabajo detectando fugas en una prueba final.

"Hoy en día, muchos ingenieros buscan flexibilidad en sus sistemas de prueba de fugas", añade Parker. “Quieren tener la opción de utilizar gas formador de helio o hidrógeno con un flujo alto o lento, según la aplicación. Por eso desarrollamos el XL3000flex”.

Parker dice que es el primer dispositivo que detecta fugas con gas en formación con tanta precisión como con helio. El XL3000flex permite a los usuarios elegir el gas de prueba disponible de menor costo o más fácil de obtener.

“La reciente situación del helio ha obligado a algunos de nuestros clientes a buscar y evaluar alternativas”, dice Jacques Hoffmann, presidente de InterTech Development Co. “Hoy vemos que más clientes buscan pruebas con aire seco, en lugar de helio, siempre que sea posible. Hemos visto a algunos fabricantes que estaban nerviosos por el aumento de los costos hacer el cambio.

"Además de los problemas de la cadena de suministro, existen problemas de mantenimiento asociados con las pruebas de helio", afirma Hoffmann. “Las pruebas de aire seco a menudo pueden brindarle una alternativa confiable y de menor costo. A veces, puedes realizar pruebas incluso más rápido con aire que con helio, debido a los tiempos de ciclo.

"El helio no va a desaparecer, pero la tecnología detrás de otros métodos de prueba de fugas ha avanzado", señala Hoffmann. "Eso ha permitido a algunos fabricantes utilizar tasas de fuga más bajas y probar de manera confiable piezas de mayor volumen".

De hecho, InterTech desarrolló recientemente una tecnología patentada que permite a los fabricantes de automóviles probar carcasas de baterías de gran volumen.

Hoffman dice que no siempre es necesario 100 por ciento de helio para garantizar resultados precisos de las pruebas de fugas. “Muchos de nuestros clientes utilizan un porcentaje de gas para ahorrar costes en gas trazador”, señala. “Cualquiera que sea el porcentaje al que estén reduciendo, eso simplemente cambia la sensibilidad del sistema en la misma cantidad.

"Si la tasa de fuga es lo suficientemente grande como para que podamos capturarla con precisión utilizando un porcentaje del gas trazador, entonces tiene sentido hacerlo", afirma Hoffmann. “Por ejemplo, si su tasa de fuga de rechazo fue de 8 x 10-5 atmcc/seg, y podemos discernir fácilmente fugas en el rango alto de 10-6, entonces pasar a una mezcla del 10 por ciento reduciría el límite de rechazo a 8 x 10- 6 atmcc/seg. El sistema seguirá encontrando sus fugas de manera confiable y ahorraría hasta el 90 por ciento de su gasto en gas trazador”.

"Los fabricantes se han puesto en contacto con nosotros para revisar las aplicaciones de prueba de fugas nuevas y existentes para determinar la idoneidad del uso de un gas trazador alternativo al helio, como el argón y el hidrógeno", añade Olsen de VIC. “El helio ofrece la capacidad de realizar pruebas de fugas a niveles de detección que son hasta 100.000 veces más sensibles que los que se pueden medir utilizando otros gases trazadores alternativos.

"Algunos gases trazadores alternativos, como el hidrógeno, requieren una concentración reducida del 5 por ciento debido a la inflamabilidad del gas", explica Olsen. “La concentración de hidrógeno del 5 por ciento reduce el nivel de rechazo permitido en un 95 por ciento.

"En muchas aplicaciones, el nuevo nivel de rechazo permitido está fuera de la capacidad de detección del detector de fugas y no es adecuado", advierte Olsen. "También nos han contactado para reducir el porcentaje de helio del gas trazador utilizado y utilizar sistemas de recuperación de helio".

Los sistemas de recuperación de helio ofrecen una alternativa para algunos fabricantes que buscan controlar costes. Sin embargo, no son baratos y suelen requerir mucho mantenimiento.

"Todas las industrias están buscando sistemas de recuperación de helio, si pueden permitirse el retorno de la inversión", dice Splete de Cincinnati Test Systems. “Constan de varios componentes clave, como un tanque de recuperación rígido o una bolsa plegable. Desde allí, todo el helio se filtra, pasa por un compresor y se envía de regreso a un tanque primario que contiene un analizador de gas para medir la concentración de helio.

"Se puede recuperar de forma fiable hasta aproximadamente el 95 por ciento del helio", afirma Jeff McBee, especialista del mercado global para HVAC-R en Cincinnati Test Systems. “Como regla general, cuanto mayor sea la presión de prueba, mejor será la eficiencia de la recuperación.

"Con presiones de prueba más bajas, las tasas de recuperación de helio serán menores", señala McBee. “La presión de vacío utilizada antes del relleno con helio también puede afectar las tasas de eficiencia. Normalmente, los sistemas de recuperación que utilizan una presión más alta son menos costosos y un poco más fáciles de mantener”.

"El uso de un sistema de recuperación ahorra una gran cantidad de helio, porque crea un circuito casi cerrado de recirculación y reutilización de helio", añade Olsen de VIC. “El único helio adicional necesario es compensar las fugas, las pérdidas volumétricas y la dilución.

"Sin embargo, los ingenieros deben asegurarse de que todas las líneas sean herméticas y que el control del proceso permita tiempo suficiente para que la evacuación previa de las piezas limite la cantidad de dilución", explica Olsen. "También es necesario dejar tiempo suficiente para ventilar y recuperar el helio que regresa al sistema".

"La recuperación de helio normalmente tiene sentido para los ingenieros que tienen piezas de gran volumen y baja variación", argumenta Parker de Inficon. “Si, por ejemplo, se producen en masa refrigeradores domésticos, la recuperación de helio tiene mucho sentido. Pero, si fabrica una amplia combinación de productos en su línea de ensamblaje, probablemente no tenga sentido para la mayoría de las aplicaciones”.

Según Kornbluth, la mayoría de las aplicaciones de detección de fugas no requieren helio de alta pureza. "Mientras que el helio estándar de calidad comercial tiene una pureza del 99,9 por ciento, el helio de menor pureza ofrece una pureza del 98 o 99 por ciento", señala.

"Hay varias empresas emergentes que producen helio en ese rango, por lo que podría ser una opción a considerar para algunos fabricantes", dice Kornbluth. “La lista incluye empresas como North American Helium en Canadá. Otros que están cerca de iniciar la producción incluyen Blue Star Helium, Desert Mount Energy, Navajo Transitional Energy Co. y Royal Helium”.

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