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L’hélium

24 novembre 2018

Quand on pense à l’hélium, on imagine souvent un produit qui sert surtout à faire flotter des ballons lors d’une fête, à faire voler des dirigeables ou à parler avec une voix rigolote. Or, l’hélium a bien plus d’utilisations que cela, et beaucoup plus importantes, comme l’illustre éloquemment l’image qui accompagne ce billet (tirée de cette page). Notons que les proportions indiquées sur cette image datent de 2000 et valent pour les États-Unis. Cela dit, des sources plus récentes présentent à peu près le même portrait. Selon diverses sources, ces utilisations sont :

  • cryogénie : refroidissant pour l’imagerie par résonance magnétique (environ 20 % de son utilisation en 2016), pour la supraconductivité, pour la fibre optique, etc.
  • lanceurs : parce qu’il est léger et ininflammable, pressurisation des réservoirs de fusées, dirigeables, ballons atmosphériques, etc.
  • soudage : gaz de protection pour le soudage en raison de son potentiel d’ionisation le plus élevé parmi tous les atomes;
  • contrôle d’atmosphère : pour les opérations de purge sous pression (car l’hélium est le seul gaz ayant un point d’ébullition inférieur à celui de l’hydrogène et que l’hélium est inerte);
  • détection de fuites : parce que l’hélium a la plus petite taille moléculaire et qu’il s’agit également d’une molécule monoatomique;
  • off-shore (plongée) : en raison de sa très faible solubilité dans l’eau et le sang;
  • autres : très nombreuses autres utilisations.

En raison de ses caractéristiques particulières (inerte, ininflammable, non toxique, forme liquide la plus froide qui existe, pas de réactions avec d’autres produits chimiques, pas d’oxydation, etc.), il n’existe souvent pas de substitut pour le remplacer dans ces utilisations.

Comme je connais peu ce sujet, si ce n’est que je me rappelle avoir lu des articles craignant son épuisement, j’ai été attiré (encore une fois grâce à un billet de Timothy Taylor) par une étude parue en octobre dernier dans la revue Natural Resources Research. Cette étude de Steven T. Anderson, économiste au Eastern Energy Resources Science Center, est intitulée Economics, Helium, and the U.S. Federal Helium Reserve: Summary and Outlook (L’économie, l’hélium et la réserve fédérale d’hélium aux États-Unis : résumé et perspectives).

Introduction

L’embargo du commerce avec le Qatar en 2017, qui fournit normalement près du tiers de l’hélium mondial, a fait ressortir des craintes sur l’approvisionnement et le prix de cette molécule précieuse aux États-Unis, surtout dans le milieu de la recherche scientifique.

Un des principaux problèmes dans l’extraction de l’hélium, qui est un sous-produit de l’extraction du gaz naturel (avec une présence de moins de 0,3 % des gaz extraits dans la majorité des cas, alors que seule une présence supérieure à ce taux rend la séparation des gaz rentable), est qu’on doit le stocker en même temps que l’extraction de gaz naturel, sinon, il se dilue dans l’atmosphère ou le fait lors de la combustion du gaz naturel. C’est pourquoi les États-Unis ont créé une réserve d’hélium qui est accumulé lors d’activités d’extraction de gaz naturel. Par contre, les politicien.nes ont accepté qu’une partie de cette réserve soit vendue sans être remplacée, faisant dangereusement diminuer le volume d’hélium conservé dans cette réserve. Malheureusement, il n’existe pas de modèle pour évaluer les ressources d’hélium encore disponibles ni leur gestion en fonction de la demande future (elle-même incertaine). Cette étude vise justement à faire le tour des analyses existantes dans le but d’orienter de futures recherches pour pallier cette lacune.

L’économie et l’hélium

Un peu comme le font les modèles d’estimation des coûts sociaux des émissions de gaz à effet de serre (voir ce billet récent), les modèles économiques d’optimisation de l’utilisation des ressources épuisables reposent sur le principe que «le prix d’une ressource épuisable doit augmenter au taux d’intérêt lorsque le taux d’extraction intertemporel de la ressource est efficace», c’est-à-dire quand on ne peut pas augmenter le prix de cette ressource en retardant son extraction sans nuire à la production actuellement nécessaire (je tente de simplifier…). Par contre, dans un marché imparfait (lire monopolistique) comme celui de l’hélium, les producteurs tendent à en extraire moins pour faire gonfler les prix. Le fait que la proportion d’hélium dans le gaz naturel est inférieure à 0,3 % des gaz extraits dans la majorité des cas, alors que seule une présence supérieure à ce taux rend la séparation des gaz rentable, tend à accroître la concentration des producteurs. En fait, 80 % du marché est contrôlé par quatre ou cinq producteurs selon les années (et on parle de démarches en vue de fusionner certains d’entre eux).

L’autre possibilité de production serait de l’extraire de l’atmosphère, mais le coût serait prohibitif, soit plus de 200 fois plus cher. Il demeure que certains modèles économiques se servent de ce coût comme point de repère pour calculer le niveau «optimal» d’extraction dans les puits de gaz naturel. Ainsi, ces modèles arrivent à la conclusion qu’il est optimal de laisser s’échapper l’hélium dans l’atmosphère à moins que ce soit très peu coûteux de le séparer… Et, pire, le stockage préventif de ce produit pourtant irremplaçable dans de nombreuses de ses utilisations ne serait pas «optimal», surtout par l’État. D’ailleurs, l’aspect irremplaçable de l’hélium fait en sorte que la demande est inélastique, c’est-à-dire qu’elle réagit peu au prix. Cela dit, certains modèles reposent sur l’hypothèse que des substituts seront sûrement découverts à l’avenir, même si les caractéristiques de l’hélium sont uniques. Sans la concrétisation bien peu probable de cette hypothèse, la production commencera à baisser entre 2030 et 2060, et l’atmosphère deviendra la première source d’hélium d’ici 2100.

Ressources disponibles

«L’hélium commun (hélium-4) se forme suite à la désintégration radioactive de l’uranium et du thorium» (c’est celui qu’on trouve dans le gaz naturel et qui s’échappe dans l’atmosphère), tandis que l’hélium-3 «est un sous-produit des opérations de maintenance des armes nucléaires» et se retrouve en concentrations beaucoup plus faibles que l’hélium-4 dans la nature. Dans ce contexte, il est très difficile d’estimer le volume d’hélium disponible pour l’extraction. De même, comme la concentration de l’hélium dans l’atmosphère est très faible (5 parties par million), et que son extraction comme produit premier est très coûteuse, il est difficile de le considérer comme une ressource disponible. Finalement, la concentration de l’hélium contenu dans le gaz de schiste est aussi trop faible pour être une source exploitable de façon rentable.

L’image ci-contre (tirée de cette page) indique comment se répartissait la production d’hélium en 2016. Un peu plus de 40 % de cet hélium venait des États-Unis et même 55 % si on considère l’utilisation de l’hélium retiré de sa réserve (le 14 % dans l’image), qui risque d’être épuisée en 2021 au rythme actuel d’utilisation. Comme mentionné auparavant, le Qatar suit avec 32 % et les 13 % restants se répartissent sans concentration notable, si ce n’est en Algérie (6 %). Par ailleurs, la Russie et la Tanzanie pourraient d’ici une dizaine d’années devenir des producteurs importants, quoique les projets d’investissement de ces pays dans ce domaine demeurent incertains.

La demande

Face à l’offre variable et de plus en plus incertaine, «les utilisateurs d’hélium se sont adaptés et tentent de l’utiliser plus efficacement et de le recycler davantage». Cela dit, ces efforts ne peuvent être que limités, compte tenu, on le répète, des caractéristiques uniques de l’hélium et de l’absence de substituts dans ses utilisations les plus importantes. Si la demande a augmenté fortement dans les années 1990, notamment en raison de l’utilisation accrue de l’imagerie par résonance magnétique (mais de façon de plus en plus efficace, avec des possibilités de recyclage), les études à cet effet ne prévoient qu’une faible hausse de la demande au cours des prochaines années, mais son utilisation dans de nouvelles technologies pourrait la faire augmenter davantage. En 2010, la consommation d’hélium se répartissait comme suit :

  • États-Unis 41 %;
  • Europe et au Moyen-Orient, 32 %;
  • reste de l’Asie, 24 %;
  • reste du monde, 3%.

On s’attend toutefois à ce que la croissance de la demande se concentre dans la fabrication de produits électroniques en Chine, en Corée du Sud et à Taiwan, et que la consommation en Asie surpasse celle des États-Unis assez rapidement (c’est peut-être déjà le cas). Les développements par après sont incertains, tant en raison des limites de l’offre, du développement de techniques de recyclage et de l’émergence de nouvelles utilisations.

Perspectives

En raison de l’incertitude de l’offre et de la demande, la réserve d’hélium des États-Unis sera davantage protégée. Il est en effet prévu que cette réserve cesse d’être utilisée pour en vendre sur le marché privé après 2019. Si jamais un autre embargo contre le Qatar était adopté, il serait peut-être impossible de compenser cette diminution de l’offre.

Face à la faiblesse de l’information crédible sur l’offre et la demande d’hélium, l’auteur insiste sur la nécessité d’obtenir plus de précision sur ces questions.

Et alors…

Cette étude laisse en plan plus de questions qu’elle ne fournit de réponses. Par contre, elle montre l’inadéquation des modèles économiques pour recommander des mesures pour faire face à l’épuisement des ressources et le peu de réactions des décideur.euses dans ces situations. Devant l’importance des utilisations de l’hélium, il serait pourtant important de réduire celles qui sont futiles, comme en consommer pour faire flotter des ballons lors d’une fête, et d’insister pour faire cesser autant que possible sa dilution dans l’atmosphère quand une entreprise privée juge non rentable de le séparer du gaz naturel (surtout lors de la production de gaz naturel liquéfié qui facilite cette séparation, car l’hélium demeure gazeux à la température où le gaz naturel devient liquide).

Par ailleurs, Timothy Taylor a mis à jour son billet depuis sa parution pour mentionner que Tim Worstall a réagi à l’étude de Steven T. Anderson dans un texte où il prétend que l’hélium n’est pas vraiment épuisable (car l’hélium peut être produit par la décomposition de l’uranium et du thorium, et qu’il y en aura toujours dans l’atmosphère, ce qui est mentionné dans l’étude), quoique la production risque de ne pas satisfaire à toute la demande. Dans ce contexte, il recommande la gestion prudente de ce bien commun, un peu comme Olinor Ostrom l’a fait pour d’autres biens communs (voir ce billet) et un peu aussi comme je le suggère dans le paragraphe précédent.

Bref, on revient au même constat, on ne peut laisser au secteur privé et aux théories économiques orthodoxes le soin de gérer les communs, pas plus l’hélium que tout autre produit épuisable (car, en fait, l’uranium et le thorium le sont aussi!).

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