Napięcia na Bliskim Wschodzie ograniczają światowe dostawy helu

Hel jest zasobem wyczerpywalnym, który odgrywa kluczową rolę w wielu gałęziach przemysłu, w tym w produkcji półprzewodników, obrazowaniu medycznym, inżynierii lotniczej i kosmicznej, przemyśle chemicznym i farmaceutycznym, światłowodach, fizyce cząstek elementarnych, balonach badawczych i wielu innych, a w niektórych przypadkach nie ma dla niego alternatyw lub są one bardzo ograniczone. W związku z trwającym kryzysem na Bliskim Wschodzie i blokadą Cieśniny Ormuz, która paraliżuje główny szlak transportowy globalnej energii, konsekwencje wykraczają poza sektor ropy i gazu i obejmują światowe dostawy helu. Ma to wpływ na branże takie jak produkcja półprzewodników, które w znacznym stopniu od helu są uzależnione.

Produkcja półprzewodników w znacznym stopniu opiera się na helu

Zaawansowane produkty półprzewodnikowe mogą zawierać ponad miliard tranzystorów na krzemowej matrycy wielkości paznokcia. Osiągnięcie takiego stopnia złożoności wymaga wielu etapów na linii produkcyjnej w celu precyzyjnego kontrolowania procesów na poziomie atomowym na płytkach o średnicy sięgającej 12 cali.

Wiele substancji chemicznych i gazów ma kluczowe znaczenie dla procesu produkcji półprzewodników. Hel jest jednym z nich ze względu na swoje właściwości kriogeniczne, wyjątkową przewodność cieplną, obojętność chemiczną, niewielkie rozmiary i wysoką dyfuzyjność. Jest on wykorzystywany na całej linii produkcyjnej i ma zasadnicze znaczenie dla funkcjonowania zakładów produkcyjnych. Zgodnie z prognozami IDTechEx zawartymi w raporcie „Helium for Semiconductors and Beyond 2025-2035: Rynek, trendy i prognozy”, popyt na hel w produkcji półprzewodników ma wzrosnąć ponad pięciokrotnie do 2035 roku.

Na linii produkcyjnej hel jest niezbędny jako gaz nośny w procesach osadzania, jako rozcieńczalnik w trawieniu plazmowym, a także do chłodzenia płytek w celu zminimalizowania wypaczeń pod wpływem naprężeń termicznych. Jest niezbędny do litografii w ekstremalnym ultrafiolecie (EUV) w produkcji chipów poniżej 5 nm, kluczowych dla zastosowań AI, do chłodzenia płytek i narzędzi. Osobno podczas operacji fabrycznych jest to również gaz używany do testów szczelności i bezpieczeństwa rurociągów i sprzętu, a także do tworzenia ultra czystej atmosfery dla procesów produkcyjnych.

Dlaczego Katar jest tak ważny w handlu helem?

Na świecie znane zasoby helu znajdują się głównie w Katarze, Stanach Zjednoczonych, Algierii, Rosji, Kanadzie i Chinach, przy czym Katar dysponuje największymi zasobami (>10 000 mln m³). Jest jednym z głównych dostawców obok Stanów Zjednoczonych i Rosji, a jako drugi co do wielkości producent dostarcza ponad jedną trzecią światowych zasobów helu.

Sposób produkcji helu również ma znaczenie, ponieważ jest on zazwyczaj wytwarzany jako produkt uboczny przetwarzania gazu ziemnego, w którym hel występuje w bardzo niewielkich ilościach (zazwyczaj 0,3–0,5% w zależności od złoża). Oddzielenie helu od gazu ziemnego wymaga szeregu procesów, takich jak separacja kriogeniczna w celu oddzielenia azotu i helu, adsorpcja membranowa i adsorpcja zmiennociśnieniowa (PSA) oraz dalsze skraplanie kriogeniczne w celu transportu. Wszystko to wymaga dużych nakładów kapitałowych, więc produkcja helu ma sens tylko wtedy, gdy zakłady przetwarzają ogromne ilości gazu ziemnego. Dlatego zakład Ras Laffan w Katarze ma tak kluczowe znaczenie ze względu na skalę swojej działalności.

Katar i Rosja są ważnymi graczami, ponieważ oba kraje koncentrują się na zwiększaniu produkcji helu, a zamknięcie zakładu Ras Laffan w Katarze już teraz ma wpływ na ceny i podaż tego pierwiastka. Nawet jeśli zakłady zostaną ponownie uruchomione (nawet częściowo), powstanie zaległość, której skutki będą odczuwalne w całym łańcuchu wartości.

Co to oznacza dla branży półprzewodników?

Po pierwsze, w normalnych warunkach hel jest gazem, który bardzo łatwo ulega wyciekom – według ekspertów branżowych wycieka ze zbiorników magazynowych w tempie około 1% dziennie, więc bardzo trudno jest go przechowywać i utrzymywać znaczne zapasy. W rzeczywistości jest on wykorzystywany do testowania szczelności właśnie w tym celu. Oznacza to, że fabryki półprzewodników są uzależnione od stabilnych dostaw. Zakłócenia w dostawach mogą spowolnić produkcję, a znaczne opóźnienia mogą w skrajnych przypadkach doprowadzić do zamknięcia zakładów.

Zakłady takie jak TSMC zazwyczaj posiadają zapasy na kilka miesięcy i wykorzystują systemy recyklingu helu. Dłuższe zakłócenia w dostawach mogą jednak spowodować problemy. Jeśli sytuacja utrzyma się przez kilka miesięcy, będzie to miało ogromne konsekwencje dla branży półprzewodników, szczególnie w obliczu rosnącego popytu na coraz bardziej zaawansowane chipy do sztucznej inteligencji i HPC, które wymagają węzłów poniżej 5 nm.

Ważne jest również przyjrzenie się regionom, w których znajdują się giganci produkcji półprzewodników. Kraje, które zdywersyfikowały swoje źródła zaopatrzenia w hel, mają również silniejszą pozycję. Na przykład Tajwan podobno pozyskuje około 2/3 swojego helu z Kataru i Stanów Zjednoczonych, a pozostałą część z innych źródeł. Z drugiej strony, według doniesień, w 2025 r. Korea Południowa pozyskiwała około 65% helu z Kataru, co naraża lokalnych producentów półprzewodników na wyzwania związane z łańcuchem dostaw. W związku z tym firmy takie jak Samsung i SK Hynix zawarły podobno długoterminowe umowy na dostawy z takimi podmiotami jak Linde i Air Products, które pozyskują znaczną część helu ze Stanów Zjednoczonych.

Czy istnieją alternatywne sposoby pozyskiwania helu?

Chociaż głównym sposobem produkcji helu jest pozyskiwanie go jako produktu ubocznego wydobycia gazu ziemnego, w krajach takich jak Stany Zjednoczone i Kanada istnieją obszary o szczególnym znaczeniu geologicznym, gdzie złoża helu mogą występować w stężeniach od 0,3 do 10%. Otwiera to możliwości wejścia na ten rynek mniejszym podmiotom. IDTechEx informuje, że do wzbogacania i oczyszczania helu pozyskanego z tych źródeł można wykorzystać systemy separacji o niskich nakładach inwestycyjnych, takie jak technologie membranowe i PSA, przy czym gracze wybierają systemy PSA, membranowe lub hybrydowe PSA + membranowe w zależności od celu separacji. Dzięki spostrzeżeniom uzyskanym w wyniku wywiadów z kluczowymi twórcami technologii, takimi jak Generon i UGS, raport IDTechEx zawiera kompleksową analizę rynku tych technologii wraz z benchmarkami produktów i studiami przypadków.

Prognoza IDTechEx

Jeśli te wyzwania będą się utrzymywać, możemy zaobserwować większe wykorzystanie działań oszczędnościowych lub recyklingu helu w produkcji półprzewodników. W rzeczywistości dużym sukcesem okazało się wykorzystanie helu w skanerach MRI, gdzie nowoczesne systemy MRI odnotowały ulepszenia technologiczne i wprowadziły systemy zamkniętej pętli do recyrkulacji helu, aby uniknąć konieczności jego uzupełniania.

Należy jednak zauważyć, że pomijając obecny kryzys, w ciągu ostatnich około 20 lat miały miejsce cztery wyraźne niedobory helu, które wpłynęły na jego dostępność rynkową i cenę. W związku z tym branże w znacznym stopniu uzależnione od helu zazwyczaj stosują środki awaryjne, takie jak zróżnicowanie źródeł dostaw, aby zabezpieczyć się przed krótkotrwałymi zakłóceniami. Jednak to, jak dobrze branże takie jak produkcja półprzewodników poradzą sobie z tą sytuacją, będzie zależało wyłącznie od tego, jak długo potrwają te zakłócenia. Utrzymująca się zmienność rynku może skłonić branże do coraz większej dywersyfikacji łańcuchów dostaw helu, aby nie polegać w znacznym stopniu na jednym kraju, a przyjąć bardziej zrównoważone podejście obejmujące Katar, Rosję i Stany Zjednoczone.

Raport IDTechEx zawiera kluczowe informacje rynkowe dotyczące produkcji i dostaw helu, głównych zastosowań, perspektyw oraz trendów w zakresie dostosowywania się branż do chronicznych wyzwań związanych z dostawami poprzez stosowanie metod oszczędzania helu (np. technologii odzyskiwania) lub stosowanie substytutów tam, gdzie to możliwe.