Il trifluoruro d'Azoto nell'industria fotovoltaica

Contro il fotovoltaico vengono da tempo lanciate accuse poco fondate o addirittura completamente errate; fra queste meritano sicuramente una menzione d'onore:

1. La possibilità che non restituisca nell'arco della sua vita utile nemmeno l'energia spesa per produrlo (falso, esistono numerosi studi sul suo EROEI; qui se ne trova uno).
2. Il fatto che provocherebbe un innalzamento della temperatura nei luoghi dove viene installato e sarebbe più inquinante dal punto di vista termico di una centrale termoelettrica (falso, per un'analisi con formule si veda qui (pdf, 180 kB).
3. Lo smaltimento dei pannelli porterà ad un grande inquinamento (sostanzialmente falso, forse sarà un argomento futuro).

Circa un anno fa però è apparsa in rete una critica originale: la produzione di pannelli solari (sigh) causerebbe l'emissione di quantità smisurate di NF3, un potente gas serra. Possibile che ci sia qualcosa di vero?

E' difficile rintracciare le origini di questa leggenda urbana. Tutto sembra avere inizio nel 2008 quando vengono pubblicati su di una nota rivista scientifica un paio di articoli [1,2] riguardo il trifluoruro d'Azoto; solo in uno dei due si fa un accenno ai pannelli fotovoltaici, e questo particolare viene (sfortunatamente) ripreso anche nel comunicato stampa dell'Università nella quale lavorano i ricercatori.

Purtroppo la notizia non passa inosservata e subito ci si butta sopra un noto blog; da lì in poi l'informazione si trasmette molto velocemente e se ne trova traccia in altre lingue, francese, tedesco e ovviamente italiano, ripresa sia in articoli sparsi su vari blog, sia nei commenti da parte di utenti. Forse è arrivato il momento di fare un po' di chiarezza sull'argomento e inquadrare il problema nella giusta prospettiva.



Il trifluoruro d'Azoto è un composto chimico usato dall'industria elettronica - in particolare dal settore dei semiconduttori - per la pulizia dei reattori nei processi CVD, cioè di deposizione di film sottili a partire da vapori. Affinché il processo rimanga efficiente e non vari la purezza dei film fissati, va eseguita con regolarità la pulizia delle pareti della camera. Questo si ottiene introducendo il gas ionizzato (plasma) a bassa pressione e attendendo la reazione dei radicali del Fluoro derivanti dall'NF3 con il Silicio residuo rimasto sulle pareti; il composto che si forma, SiF4, è un gas e può essere aspirato e asportato dal reattore.

L'NF3 è solo uno degli ultimi prodotti della serie di composti fluorurati in uso già nella prima metà degli anni '90, che vede fra i propri capostipiti il tetrafluorometano e l'esafluoroetano (CF4, C2F6); questi ultimi rientrano nella categoria degli idrofluorocarburi e perfluorocarburi, inseriti fra i gas serra nel protocollo di Kyoto del 1997, e quindi l'industria ha cercato un composto alternativo con migliori caratteristiche chimico-fisiche. Ai tempi della stesura del trattato la sua produzione era di circa 100 tonnellate all'anno, solo una frazione delle quali realmente emessa in atmosfera, mentre nel 2008 se ne producevano circa 7200. Questo aumento ha destato preoccupazione per le possibili ricadute in campo ambientale e ha spinto ad un'analisi più accurata delle sue caratteristiche come GHG (GreenHouse Gas).

L'NF3 infatti non è infiammabile, non è corrosivo, permette alte velocità d'incisione, è moderatamente tossico (ma lo sono molto di più i composti derivanti da reazioni con l'acqua e l'Ossigeno); è però anche un potente gas ad effetto serra. La stima di tale effetto si valuta sinteticamente tramite il GWP (Global Warming Potential), un indice utile per confrontare il comportamento di gas diversi in atmosfera, assunto come riferimento il CO2; dipende da quanta radiazione sulla banda degli infrarossi assorbe un gas, dalle lunghezze d'onda alle quali avviene l'assorbimento e dal tempo di residenza in atmosfera. Questo indice varia cambiando l'intervallo di tempo preso in considerazione: un gas che assorba molta radiazione in rapporto al CO2 ma venga eliminato in pochi anni avrà un valore elevato a 20 anni ma piccolo a 100 ed oltre. Per questo motivo è possibile trovare valori diversi del GWP per una stessa specie chimica, sebbene normalmente il periodo di riferimento sia un secolo.

Secondo la letteratura più aggiornata il tempo di residenza in atmosfera del trifluoruro d'Azoto è valutato in 550 anni, e il GWP su di un secolo è 16800[1], cioè quattro ordini di grandezza superiore a quello del biossido di carbonio (posto pari ad uno per convenzione); la concentrazione in atmosfera è aumentata dalle 0.02 ppt (parti per trilione, un milligrammo ogni mille tonnellate) nel 1978 alle 0.454 del 2008, con un aumento annuo dell'11%[2] equivalente a circa 620 tonnellate, sebbene recentemente si noti una tendenza al rallentamento. Si parla insomma di 10 milioni di tonnellate di CO2 equivalenti, una cifra che si può confrontare ad esempio con le emissioni di una centrale a carbone da 1.2 GWe con un rendimento del 42%  e un fattore di capacità dell'85% (più o meno 9 milioni di tonnellate); per avere un altro termine di paragone, le emissioni attuali imputabili all'uomo - tramite la combustione di idrocarburi e il cambio di destinazione d'uso del terreno - sono di 29 miliardi di tonnellate.

Andamento temporale della concentrazione atmosferica di NF3, da Weiss et al.

Sembra quindi che le accuse sparse in giro siano tutto sommato infondate, anche perché l'industria che fa maggior uso del trifluoruro d'Azoto non è certo quella fotovoltaica: secondo l'American Chemical Society sarebbe responsabile solamente del 5% della domanda mondiale; ed è curioso che tanti si straccino le vesti per oggetti che comunque sono destinati a produrre energia, mentre nessuno si preoccupa pensando ai milioni di display TFT-LCD che si trovano nei monitor, televisori, cellulari, navigatori. Inoltre si studiano e sono in parte già usate alternative per la pulizia del reattore[3]: un esempio viene dal Fluoro (F2) - sia da solo sia miscelato con altri gas - che sebbene necessiti di maggiori cautele e misure di sicurezza nell'uso presenta allo stesso tempo un minore costo e un GWP che vale zero.

Va sottolineato inoltre che l'unico settore dell'industria fotovoltaica che sfrutta i processi PECVD è quello dei moduli di seconda generazione a film sottile basati sul Silicio amorfo o nanocristallino (indicati come a-Si e nc-Si); il vantaggio rispetto alle celle realizzate in Silicio mono/policristallino è dato dal minor costo, non dovendosi spendere energia per l'accrescimento in forma cristallina del materiale dopo la purificazione, seppure a prezzo di una minore efficienza di conversione della radiazione incidente. Rimane tuttavia la curiosità di sapere quanto l'uso di NF3 possa veramente incidere sul bilancio complessivo di emissioni equivalenti di CO2 con un calcolo basato su un'analisi LCA; una delle caratteristiche delle celle fotovoltaiche infatti è proprio quella di produrre piccole quantità di emissioni - concentrate nella fase di costruzione essendo poi gratis la radiazione solare che fa da "carburante" - rispetto ad altre fonti energetiche.

Fortunatamente è stato da poco pubblicato uno studio[4] che valuta per la prima volta con misure dirette le emissioni di NF3, prendendo in esame i processi nei luoghi di produzione e in quelli dove avviene il consumo (le operazioni di trasporto non sono considerate influenti, essendo gli incidenti scarsamente probabili). Alcuni dei risultati fondamentali sono i seguenti:

• Nelle industrie produttrici le emissioni sono andate diminuendo negli anni grazie ai miglioramenti realizzati nei circuiti di aerazione e depurazione; anche il riutilizzo delle frazioni di gas ancora presenti nei contenitori restituiti alle fabbriche - che in precedenza venivano semplicemente svuotati liberando nell'ambiente il gas - ha contribuito a portare le perdite percentuali di NF3 dal 7% del 1997 all'1.6% del 2009. L'obiettivo è raggiungere lo 0.5%.
• Dal lato del consumo, l'introduzione del processo RPS (Remote Plasma Source) per la pulizia del reattore a partire dalla fine degli anni '90 potrebbe essere la causa di un analogo declino percentuale nelle emissioni di NF3, valutabili nello 0.11%.

Diminuzione nella percentuale di emissioni di NF3 dal 2000 al 2008, da Fthenakis et al.

• Secondo gli autori l'industria del fotovoltaico è responsabile per solo il 3% dell'utilizzo complessivo del gas - valore vicino al 5% segnalato in precedenza - ed essendosi sviluppata recentemente ha potuto sfruttare le migliori tecniche a disposizione per l'abbattimento dell'NF3. Dallo studio del ciclo di vita gli autori ricavano che la percentuale di emissioni rispetto alla produzione è inferiore al 2% nel 2008, un valore molto più basso del 9% ottenuto da altri in precedenza[2]; la discrepanza è spiegabile ammettendo che non tutti i produttori e consumatori (al di fuori del settore PV) adottino le migliori tecniche oggi esistenti.
• Per finire, l'uso di NF3 porta a valori di CO2 equivalente stimati (per il 2008) in 2 o 7 g/kWh rispettivamente per moduli a singolo o doppio strato, con la prospettiva di scendere a 0.6 e 2 entro la fine del 2010. Questi valori sono piccoli rispetto alle emissioni equivalenti complessive delle celle in a-Si, pari a circa 25 g/kWh, e si bilanciano in un intervallo di tempo compreso fra gli 11 e i 43 giorni.

Il fotovoltaico, anche per questa volta, può venire assolto dalle accuse.

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[1] NF3, the greenhouse gas missing from Kyoto, Michael J. Prather, Juno Hsu
Geophysical Research Letters, VOL. 35, L12810, 3 PP., 2008
doi:10.1029/2008GL034542

[2] Nitrogen trifluoride in the global atmosphere, Ray F. Weiss, Jens Muhle, Peter K. Salameh, and Christina M. Harth
Geophysical Research Letters, VOL. 35, L20821, 3 PP., 2008
doi:10.1029/2008GL035913

[3] Superior etch performance of Ar/N2/F2 for PECVD chamber clean, M. Riva, M. Pittroff, T. Schwarze, R. Wieland, J. Oshinowo
Advanced Semiconductor Manufacturing Conference, 2009
doi:10.1109/ASMC.2009.5155971 

[4] Life-Cycle Nitrogen Trifluoride Emissions from Photovoltaics, V. Fthenakis, Daniel O. Clark, Mehran Moalem, and Phil Chandler, Robert G. Ridgeway, Forrest E. Hulbert, David B. Cooper, and Peter J. Maroulis
Environ. Sci. Technol., 2010, 44 (22), pp 8750–8757 
doi: 10.1021/es100401y