Il metodo Impact 2002+

Implementato dallo Swiss Federal Institute of Technology di Losanna, il metodo di valutazione ambientale denominato Impact 2002+ offre una soluzione intermedia tra gli approcci dalle precedenti metodologie midpoint-oriented (basate sulle categorie di impatto, come CML ed EDIP 1996) e damage-oriented (orientate alla valutazione per categorie di danno, come EPS ed Eco-Indicator99), connettendo i risultati desunti dagli inventari LCI a 14 “midpoint categories” a loro volta riconducibili a 4 “damage categories”.

Le categorie di danno utilizzate da Impact 2002+ sono:
Human Health, misurata in DALY e derivata dalle 5 midpoint categories Human toxicity, Respiratory (inorganics), Ionizing radiations, Ozone layer depletion, Photochemical oxidation (corrispondente alla voce Respiratory (organics) for human health);
Ecosystem Quality, misurata in PDF*m2*yr, derivata dalle midpoint categories Acquatic ecotoxicity, Terrestrial ecotoxicity, Terrestrial acidification / nutrification, Acquatic acidification, Acquatic eutrophication e Land occupation, alle quali potrebbero essere aggiunto l’apporto delle midpoint categories già incontrate in Human Health, Photochemical oxidation e Ozone layer depletion. Ma quest’ultimo collegamento non è stato ancora determinato quantitativamente. Si noti come l’architettura di Impact 2002+, diversamente da quella di EcoIndicator, preveda la possibilità di allocare gli apporti delle diverse midpoint categories all’interno di più categorie di danno: nel caso dell’ossidazione fotochimica è per l’appunto in fase di elaborazione una metodologia, già individuata per stimare il danno sulla salute umana, in grado di legare tale impatto anche all’integrità degli ecosistemi naturali;
Climate Change, misurata in kg di CO2 equivalente in aria, derivata dall’unica categoria di impatto Global warming;
Resources, in MJ, costruita a partire dalle midpoint categories Non renewable energy e Mineral extraction.

In aggiunta a questa correlazione tra midpoinit e damage sono state anche affrontate alcune richieste scientifiche sorte specialmente nelle aree degli impatti relativi alla tossicità umana e alla ecotossicità, come i seguenti:
• La stima dei rischi tossicologici cronici cumulativi e di potenziali impatti in applicazioni comparative come possono essere quelle dell’LCA
• La considerazione del carattere intermittente della pioggia e della differenza tra emissioni indoor e outdoor
• La determinazione degli effetti di emissioni da prodotti chimici tenendo conto delle esposizioni ad esse basate sulla loro produzione piuttosto che sulla loro sulla loro quantità esistente in un determinato luogo.

LE CATEGORIE DI IMPATTO IN IMPACT 2002+

I fattori di caratterizzazione per le diverse categorie di impatto sono basati su un principio di equivalenza, cioè i punteggi assegnati alle diverse sostanze sono espressi in kg-equivalenti di una sostanza di riferimento. In Tab.1 sono riportate le categorie di impatto (midpoint), le sostanze di riferimento, le categorie di danno (endpoint), le unità di misura delle categorie di danno. Obiettivo principale comune a tutte loe categorie di impatto è la determinazione degli effetti a lungo termine ottenuta mediante l’uso di un orizzonte temporale (time horizon) infinito (qualche volta approssimato da un time horizon di 500 anni).
 

TAB.1 METODO IMPACT 2002+: SOSTANZE DI RIFERIMENTO UTILIZZATE NELLA CARATTERIZZAZIONE DELLE CATEGORIE MIDPOINT

La categoria midpoint Human Toxicity costituisce uno dei principali aspetti di novità introdotti da Impact 2002+, che lo differenzia dalle metodologie elaborate in precedenza: attraverso un nuovo modello di calcolo, Human toxicity risponde all’esigenza di stimare il rischio tossicologico cumulativo e i potenziali impatti associati ad una determinata quantità di sostanza liberata nell’ambiente. Tale legame viene esplicitato ricorrendo ad un codice di calcolo denominato IMPACT 2002 (Impact Assessment of Chemical Toxics, da non confondere col nome della metodologia di analisi LCA che ne fa uso, cioè Impact 2002+), che è in grado di modellizzare rischio e potenziale impatto di migliaia di sostanze chimiche, calcolando i fattori a livello dell’Europa Occidentale con differenziazioni spaziali per 50 bacini idrografici e celle d’aria europee.

Il codice utilizza le seguenti informazioni relative alla tossicità umana:
• la diffusività (fate) della sostanza che comprende il trasporto nell’ambiente, l’esposizione e la risultante capacità di assorbimento da parte dell’uomo
• il fattore effetto (effect factor) che caratterizza il rischio potenziale legato al livello di tossicità
• la severità (severity) che caratterizza la gravità del danno dovuto alle malattie indotte.

Lo Human Damage Factor (HDFi) della sostanza i, misurato in DALY (Disability Adjusted Life Years per kgemesso), viene calcolato come segue:
HDFi=iFi*EFi= iFi*i*Di
dove iF rappresenta la intake Fraction, ossia la frazione della massa complessiva della sostanza rilasciata nell’ambiente che raggiunge la popolazione attraverso la contaminazione degli alimenti, l’inalazione o il contatto diretto in kgassorbito, per kgemesso, EF (effect factor) è il prodotto del fattore che rappresenta la derivata della curva dose-risposta i (in rischio di incidenza per kgemesso) e della severity, ossia della capacità della sostanza di indurre disturbi gravi (D in DALY per incidenza). La intake fraction iF per una diffusione di sostanze chimiche tiene conto del loro trasporto e dell’esposizione ad esse dell’uomo associata alla produzione del cibo, all’approvvigionamento dell’acqua e alla loro inalazione. I fattori di caratterizzazione sono calcolati per emissioni in un sistema europeo occidentale inserito in un sistema globale. Per il loro calcolo si è tenuto conto del carattere intermittente della pioggia. Tra i diversi modi con cui le sostanze vengono assorbite dall’uomo il codice ha tenuto conto anche dell’assorbimento di agenti contaminanti dai prodotti agricoli e animali. Per l’effect factor il codice usa un nuovo approccio per calcolare quello relativo agli impatti tossicologici non cancerogeni basato sulla dose che induce una risposta del 10% (ED10). Essa deriva dal concetto di dose soglia (benchmark dose) che valuta il rischio della salute e stima una dose minima.

L’effect factor si ottiene dalla relazione:
ihuman =(0.1/ED10)*1/(BW*LTh*N365)
dove si ha:
ihuman = fattore effetto sulla salute umana [rischio di una incidenza per kg assorbito]
ED10 = dose soglia che produce il 10% di casi [mg/kg/day]
BW = peso medio del corpo nella popolazione considerata [kg/pers]
LTh = tempo di vita medio della popolazione considerata [yr]
N365 = numero di giorni per anno [days/yr]
Il DALY caratterizza la severità del danno e tiene conto sia della mortalità (Years of Life Lost (YLL) dovuta a morte prematura) che della malattia. Sono stati assunti 6.7 e 0.67 come valori per difetto per effetti cancerogeni e non cancerogeni rispettivamente.
Un reale midpoint potrebbe essere il numero di casi per la stessa malattia. Tuttavia, poiché molte sostanze causano un grande numero di malattie, il rischio di malattie non può essere sommato senza considerare implicitamente (uguale severità), o preferibilmente in modo esplicito, la loro severità. Perciò il fattore di caratterizzazione per le categorie di impatto è ottenuto semplicemente dividendo lo Human Damage Factor (HDF) della sostanza considerata i per quello della sostanza di riferimento (per la midpoint category Human toxicity si tratta del cloro-etilene, sostanza cancerogena per la quale si dispone di un quadro tossicologico causa-effetto particolarmente dettagliato e un principale impatto per inalazione):
HTPi = HDFi/HDFchloroethylene [in kgeq chloroethylene in air]

LE CATEGORIE DI IMPATTO ACQUATIC AND TERRESTRIAL ECOTOXICITY

L’impatto sugli ecosistemi acquatici é, sotto certi aspetti, affrontato in maniera analoga a quanto appena esposto in relazione alla tossicità per l’uomo, con alcune differenze: in quest’ultimo caso, innanzitutto, l’interesse è focalizzato sulla salute di un individuo, piuttosto che su quella delle specie. In secondo luogo, l’interfaccia tra analisi di diffusività della sostanza e di effetto sui comparti bersaglio non è più dato dalla potenziale gravità delle patologie certamente indotte dalla sostanza (fattore dose-risposta), ma piuttosto dal suo livello di concentrazione nelle acque superficiali. La diffusività mette in relazione l’emissione di una sostanza al cambiamento nella sua concentrazione nell’acqua. L’esposizione è implicitamente presa in considerazione nel fattore d’effetto che caratterizza il rischio a livello delle differenti specie, ricorrendo come unità di misura a una Potentially Affected Fraction (PAF, quota della popolazione potenzialmente affetta da un disturbo) o a una Potentially Disappeared Fraction (PDF, quota della popolazione potenzialmente scomparsa a causa di un effetto letale della sostanza) della specie. Per gli ecosistemi acquatici, la frazione potenzialmente affetta della specie per unità di emissione nel tempo (APAF, in PAF*m3*yr/kg) è ricavata dal prodotto di un fattore di diffusività (fate factor F*, misurato in anni) e di un fattore di effetto (effect factor , misurato in PAF*m3/kg) come segue:
APAFi= Fimw * iw*i, in PAF*m3*yr/kg
Il fate factor è ottenuto moltiplicando due parametri forniti dal modello IMPACT 2002: la frazione adimensionale Fimw dell’emissione di sostanza i nel compartimento m che raggiunge i corpi idrici superficiali, iw il tempo di permanenza (in anni) della sostanza i in acqua, uguale all’inverso del tempo di decadimento costante in acqua (k). Esso corrisponde anche all’incremento della concentrazione integrato secondo lo spazio e il tempo in un’unità spaziale del corpo idrico per input di massa M della sostanza chimica introdotta nell’ecosistema acquatico:
dove C (in kg/m3) rappresenta la variazione di concentrazione nel volume di acqua V (in m3), dovuto all’apporto di sostanza Mt (in kg/yr). Tale integrazione spaziale differisce dalla tradizionale valutazione del rischio basata sul rapporto tra concentrazione prevista e la concentrazione di sostanza senza effetti sulla salute dell’ecosistema (PEC/PCNEC). Nella pratica, introducendo il volume d’acqua che è stato contaminato con certezza si evita di considerare che l’inquinamento di tutti i laghi d’Europa rispetto a quello di un piccolo bacino è equivalente in termini di impatto. Il fattore di caratterizzazione ecotossicologico per gli ambienti acquatici non include una componente riferita alla magnificazione biologica (esposizione addizionale dovuta alla contaminazione dei cibi); viene considerata solo la bio-concentrazione (trasferimento diretto di sostanze chimiche alle specie, sulla base di test tossicologici di laboratorio).

L’effect factor (i) rappresenta il mutamento della Potentially Affected Fraction delle specie che dimostra un incremento dello stress dovuto all’aumento della concentrazione del contaminante. IMPACT 2002 calcola l’impatto medio sulle specie usando il valore HC50 (Hazardous Concentration 50%), che esprime la concentrazione critica in grado di affliggere il 50% delle specie presenti nell’ecosistema:
i= 0.5/HC50iw (in PAF m3/kg).
HC50iw, in kg/m3, è calcolato come la media geometrica dei valori di EC50 relativi alle singole specie.
A livello di categoria di impatto, il potenziale ecotossicologico dell’acqua (AEPi in kgeq triethylene glicol in water per kgi) viene ottenuto normalizzando l’effetto della sostanza i rispetto all’effetto di una sostanza di riferimento, che è il Triethylene glicol:
AEPi = APAFi/ APAFtriethylene glicol

I potenziali di ecotossicità terrestre per la categoria di impatto Terrestrial ecotoxicity sono calcolati in maniera analoga: gli HC50 per gli ambienti terrestri sono calcolati, come funzione del coefficiente di assorbimento della sostanza considerata (Kdi, in m3 /kg), della densità del suolo (s, in kg/m3) e del fattore fw dimensionale che esprime il contenuto medio di umidità nel suolo:
HC50is = HC50iw * (Kdi * s + fw )

LE ALTRE CATEGORIE DI IMPATTO IN IMPACT 2002+

I fattori di caratterizzazione per le altre categorie midpoint di Impact 2002+ (Respiratory effects, photochemical oxidation, ionizing radiation, ozone layer depletion, terrestrial acidification/nutrification, land use occupation e mineral extraction) sono ottenute da Eco-Indicator 99, adottando la prospettiva culturale egualitaria di default ed applicando un fattore di normalizzazione rispetto ad una sostanza di riferimento (vedi tab. 2). Per il Climate change i più recenti Global Warming Potentials (IPPC 2002) vengono impiegati con un orizzonte temporale di 500 anni per prendere in considerazione gli effetti di lungo termine delle emissioni di gas climalteranti.
I fattori di caratterizzazione per acquatic acidification e acquatic eutrophication sono adattati da Hauschild e Wenzel (1998). Acquatic acidification è suddivisa in due classi, valide rispettivamente per bacini idrografici limitati a P e limitati a N. Per default sono applicati i valori per i bacini P-limited poiché attualmente il fosforo è la sostanza presente in quantità maggiore nei fertilizzanti. Questo può essere spiegato col fatto che i cyano-bacteria nei laghi e nei fiumi fissano l’azoto dell’atmosfera quando i nitrati sono limitati nell’ acqua. Perciò, a lungo termine, un aumento della concentrazione dei nitrati non influenzerà lo sviluppo dell’ecosistema, mentre un aumento dei fosfati porterà sempre ad un aumento dell’impatto.
I fattori di caratterizzazione per il consumo di risorse non rinnovabili, in termini di energia totale primaria estratta, vengono calcolati ricorrendo al potere calorifico superiore.

CATEGORIE DI DANNO

I fattori di danno delle sostanze vengono ottenuti moltiplicando i fattori di caratterizzazione per quelli di danno delle sostanze di riferimento (vedi tabella seguente).
I fattori di caratterizzazione per le categorie di impatto (midpoint) di Human Health sono espressi sempre in DALY/kgemissione o in DALY/Bqemissione per la categoria Ionizing radiation.
Per la Ecosystem Quality le categorie di impatto terrestrial qacidification, terrestriual nutrification a land occupation sono state prese da Eco-Indicator 99 e il loro impatto si determina come una Potentially Disappeared Fraction in una certo area e in un certo intervallo di tempo per kg di sostanza emessa (espressa in PDF*m2*yr/kgemissione).

Per l’ecotossicità la valutazione del danno è basata sul PAF delle specie integrato nel tempo e nel volume, espresso in PAF*m3*yr/kg. Per convertire i PAF in PDF si è usato il fattore di estrapolazione diretta 10 tra il NOEC del PAF e il NOEC del PDF. Il fattore deve essere cambiato rispetto a quello di Eco-Indicator99, poiché HC50 è basato su EC50 anziché sul NOEC, e deve essere moltiplicato per un fattore 0.5. Questo rappresenta l’assunzione che una metà delle specie affette oltre il loro livello di cronico EC50 scomparirà a causa della tensione tossica. Perciò il fattore di danno causato da ecotossicità acquatica (AEDF, in [PDFm2year/kgemitted]) vale:
AEDFi=0.5*APAFi/hw
dove hw è la profondità media della falda acquifera, in [m].

Metodi di estrapolazione sono attualmente in fase di sviluppo per la determinazione dei fattori di danno che caratterizzano gli impatti sull’ecosistema causati da acidificazione acquatica e eutrofizzazione acquatica. Anche photochemical oxidation e ozone depletion contribuiscono potenzialmente all’impatto sull’ecosistema. Tuttavia mancano attualmente adeguate informazioni scientifiche tali da poter quantificare i loro contributi in termini di PDF.

Per la categoria Climate Change si è ritenuto che i dati per stabilire il danno dei mutamenti climatici sulla qualità dell’ecosistema e sulla salute umana fossero ancora non abbastanza accurati. L’interpretazione, di conseguenza, ha luogo direttamente al livello della midpoint category, che può essere interpretato come danno relativo ai sistemi di supporto alla vita chiamati alla protezione della loro stessa esistenza. La categoria di impatto Global warming viene considerata come una endpoint category a sé stante con unità di misura i [kgeq di CO2], in quanto il fattore di danno (nel passaggio alla categoria di danno Climate Change) assume valore 1. L’orizzonte temporale è ancora di 500 ani per tenere conto sia degli effetti breve che quelli a lungo termine.
Per quanto concerne infine Resources, le due midpoint categories che contribuiscono ad essa sono mineral extraction e non-renewable energy consumption. Il danno dovuto a mineral extraction sono calcolate come in Eco-Indicator 99 mediante il concetto di Surplus Energy (in [MJ]). Esso si basa sull’assunzione che l’estrazione di un materiale determina un incremento del fabbisogno di energia per ogni ulteriore quantità di sostanza che sarà necessario estrarre dal sottosuolo in futuro, ciò a causa della ridotta ed eterogenea diffusione delle risorse minerarie nel pianeta e delle caratteristiche sempre meno vantaggiose in termini di reperibilità e facilità di captazione dei giacimenti mondiali. Ma mentre i minerali potrebbero essere potenzialmente accessibili al termine dell’utilizzo, una volta avviati a smaltimento con eventuale recupero, l’energia non rinnovabile (ad esempio quella da combustibili fossili) una volta utilizzata non può essere ripristinata a un livello exergetico funzionale al reimpiego. In altri termini, il contenuto energetico dei materiali si esaurisce progressivamente come risorsa, in aggiunta alla surplus energy (maggiore energia necessaria per accedere alle scorte di combustibili fossili in assottigliamento). Per questa ragione, contrariamente a quanto avviene in Eco-Indicator 99, per le risorse energetiche non rinnovabili viene considerata l’energia primaria non rinnovabile complessiva, compresa l’energia potenziale contenuta nelle materie prime dei materiali. L’unità di misura della categoria di danno Resources è la somma della quantità di energia primaria per l’estrazione dei minerali e dell’energia primaria per vettori energetici (energy carriers), in [MJ/unitconsumed].

TAB.2 METODO IMPACT 2002+: FATTORI DI DANNO PER LE CATEGORIE DI IMPACT 2002+

LA NORMALIZZAZIONE E LA VALUTAZIONE DEL DANNO

Per analizzare il peso relativo di ogni classe di impatto rispetto al danno totale si applica alle categorie di impatto e alle categorie di danno un fattore di normalizzazione. Il fattore di normalizzazione è il rapporto tra l’impatto specifico per unità di emissione diviso per l’impatto totale della totalità delle sostanze della specifica categoria, per persona e in un anno. L’unità di misura di tutti i fattori delle categorie di impatto è [pers*year/unitemission], cioè il numero di persone equivalenti affette durante 1 anno per unità di emissione. Gli autori consigliano di fare la normalizzazione dopo la caratterizzazione. In Tab. 3 sono riportati i fattori di normalizzazione per le 4 categorie di danno.

TAB.3 METODO IMPACT 2002+: FATTORI DI DANNO PER LE CATEGORIE DI IMPACT 2002+

In Human Health il fattore di normalizzazione è calcolato in accordo con Eco-Indicator 99, con due modifiche: gli impatti causati dai mutamenti climatici non sono presi in considerazione per le ragioni precedentemente esposte, mentre la tossicità delle sostanze inquinanti per l’uomo viene calcolata come somma degli effetti cancerogeni e non cancerogeni. Per ogni inquinante, l’impatto [in DALY/kgemissione] è moltiplicato per le emissioni annuali nell’Europa Occidentale (ripartite tra comparti: aria, suolo ed acqua), ottenendo il numero globale di DALY persi annualmente in Europa a causa della singola sostanza inquinante. Gli impatti totali sulla salute umana in un anno si ottengono quindi sommando quelli di tutte le sostanze 2.92E6 [DALY7year]. Infine tale valore è diviso per la popolazione europea (380 milioni di persone) per ottenere il valore da usare per la normalizzazione per Human Health: 7.7E-3 [DALY/(pers*year)], che esprime una riduzione di vita di circa tre giorni per anno e per persona.

Anche in Ecosystem Quality il fattore di normalizzazione è determinato in maniera simile a quello usato in Eco-Indicator 99, con due differenze: il danno alla qualità dell’ecosistema causato dalla trasformazione del suolo e dall’ossidazione fotochimica non viene considerato e il danno alla qualità dell’ecosistema causato dalle emissioni tossiche è ripartito tra le categorie di danno per gli ecosistemi acquatici e terrestri.

In Climate Change il valore rispetto al quale fare la normalizzazione è basato sulle emissioni annue totali di CO2 prodotte in Europa, moltiplicate per i potenziali di riscaldamento globale in un orizzonte di 500 anni. Il punteggio totale di riscaldamento globale relativo alle emissioni in Europa Occidentale è 3,78E12 [kgeq CO2/anno]. Tale valore viene diviso per la popolazione europea, per ottenere la quota di gas climalteranti emessi per persona l’anno che è di 9.95E3 [kgeq CO2/(pers*year)].
In Resources il valore rispetto al quale fare la normalizzazione è calcolato come il consumo totale di energia non rinnovabile in Europa, includendo il consumo di energia nucleare.
Per la valutazione gli autori consigliano di considerare separatamente le quattro categorie di danno. Tuttavia, se fosse necessaria una aggregazione di esse può essere usato o un fattore determinato dall’utente oppure per default il valore 1.