Economic evaluation of regional competitive potentials of various agricultural biomasses in the context of bioeconomy with the special focus on Baden-Wuerttemberg

Die Endlichkeit der fossilen Ressourcen sowie der Klimawandel stellen die globale Gesellschaft vor große Herausforderungen und erfordern eine umfassende Transformation des aktuellen Wirtschaftssystems. In dieser Transformation, die auch als Bioökonomie bezeichnet wird, nimmt der Übergang von einer fossil-basierten zu einer bio-basierten Rohstoffversorgung eine wichtige Rolle ein. Die landwirtschaftliche Produktion ist in diesem Zusammenhang ein wichtiger Rohstofflieferant, die bereits durch eine starke Nutzungskonkurrenz um die knappe Fläche gekennzeichnet ist, die weitere Produktionssteigerungen für die Bioökonomie erschweren. Ökonomische Modelle können in diesem Kontext als wertvolle Methode zu Analyse der Bioökonomie agieren, mit denen einerseits die Wechselwirkungen von verschiedenen Nutzungspfaden abgebildet werden und die andererseits mit einer entsprechenden Szenarienentwicklung auch die Unsicherheit adressieren können. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Potentialabschätzung verschiedener landwirtschaftlicher Biomassen für die Bioökonomie und die Analyse der damit verbundenen Auswirkungen auf die landwirtschaftlichen Produktionsstrukturen in Baden-Württemberg. In Kapitel 2 wird das Potential von Grünland als Biogassubstrat analysiert, das in Zukunft eine bedeutende Rolle für die Bioökonomie spielen kann. Aufgrund des aufwändigeren Ernteverfahrens und teilweise ungünstiger Produktionsbedingungen hat Grünland höhere Produktionskosten gegenüber ackerbürtiger Biogassubstrate. Die Berücksichtigung der iLUC Faktoren mit hohen Preisen für THG-Emissionen kann die relative Vorzüglichkeit des Grünlandes soweit verbessern, dass es mit der Produktion von Ackerland konkurrenzfähig ist, auch wenn Silomais aus vielfacher Hinsicht oft das vorzüglichere Biogassubstrat ist, wie das Kapitel 3 anhand einer Standortmodellierung für Biogasanlagen in Baden-Württemberg zeigt. In den Kapiteln 4 und 5 wird das Potential von Stroh zur energetischen und stofflichen Verwertung analysiert . Diese Untersuchungen basieren auf der Verknüpfung von EFEM mit dem techno-ökonomischen Standortoptimierungsmodell BIOLOCATE. Die Ergebnisse zeigen anschaulich die Wechselwirkung zwischen den Skaleneffekten und den steigenden Rohstoffbereitstellungskosten. So sinken mit zunehmender Anlagengröße einerseits die durchschnittlichen Investitionskosten, andererseits steigen die Rohstoffkosten, weil die Transportentfernungen zunehmen und eine steigende Biomassenachfrage höhere Marktpreise zur Folge hat. Die Ergebnisse zeigen auch, dass Stroh grundsätzlich mit der Bereitstellung von regionaler Bioenergie und als Rohstoff für stoffliche Wertschöpfungsketten einen Beitrag zur Bioökonomie leisten kann. Allerdings hat selbst die Nutzung von Nebenprodukten Auswirkungen auf die Anbaustrukturen. In Kapitel 6 werden die Auswirkungen von gesamtwirtschaftlichen Expansionspfaden der Bioökonomie auf die landwirtschaftlichen Produktionsstrukturen in Baden-Württemberg untersucht. Hierfür werden die Ergebnisse einer iterativen Modellkopplung zwischen dem Agrarsektormodell ESIM und dem Energiesektormodell TIMES-PanEU von vier Bioökonomieszenarien mithilfe von EFEM von nationaler Ebene auf regionale und einzelbetriebliche Ebene herunterskaliert. Die Ergebnisse zeigen, dass Betriebe mit vornehmlich extensiven Produktionsverfahren wie der Mutterkuhhaltung durch ungünstige Produktionsbedingungen keinen Nutzen aus der Expansion der Bioökonomie ziehen können werden, während insbesondere große Ackerbaubetriebe in fruchtbaren Regionen überdurchschnittlich profitieren würden. Grundsätzlich legen die Ergebnisse Grenzen bei der Mobilisierung von zusätzlichem Biomassepotential offen. Dies begründet sich in der hohen Anbauintensität der landwirtschaftlichen Produktion in Deutschland, aufgrund dessen die Ausweitung einer Produktion aufgrund der Nutzungskonkurrenz andere Produktionen einschränkt. Für Grünland zeigen die Ergebnisse, dass der Rückgang der grünlandbasierten Rinderhaltung und nachteilige ökonomische Rahmenbedingungen zu einer signifikanten Menge an ungenutztem Grünland führen können. Grünland stellt sich so als vielversprechende Ressource zur Biomasseproduktion für die Bioökonomie dar, da es neben der Rohstoffbereitstellung auch wichtige Ökosystemdienstleitungen (z. B. Artenvielfalt) liefern kann. Hierfür müssten allerdings politische Rahmenbedingungen etabliert werden, die die ökologischen Leistungen entsprechend fördern. Abschließend wird in Kapitel 7 weiterer Forschungsbedarf aufgezeigt, der die Weiterentwicklung des methodischen Ansatzes beinhaltet. Diese umfassen einerseits eine Erweiterung um gesamtwirtschaftliche Modelle, um Wechselwirkungen mit der stofflichen Nutzung detaillierter abzubilden. Andererseits ist Integration von ökologischen Aspekten für die ganzheitliche Analyse im Rahmen der Bioökonomie notwendig.The finite nature of fossil resources and climate change pose major challenges to the global society and require a comprehensive transformation of the current economic system. One important aspect of this transformation, also known as bioeconomy, is the transition from a fossil-based to a bio-based supply of raw materials. In this context, agricultural production represents an important supplier of raw materials, which in Germany is already characterized by a strong competition for the scarce land. The scarce land is a major challenge of the expansion of the use of agricultural biomass for the bioeconomy. Accordingly, the derivation of the potential of agricultural biomass for bioeconomy requires consideration of the tradeoffs between various utilization paths. In this context, economic models can be valuable methods, which on one hand are able to depict the trade-offs of different value chains and can, on the other hand, incorporate the uncertainty by developing suitable scenarios. The aim of this thesis is the evaluation of the potential of different agricultural biomasses for the bioeconomy and to analyze the associated effects on agricultural production structures in Baden-Wuerttemberg. In chapter 2 the potential of grassland as a biogas substrate is evaluated, which might be important for the bioeconomy in the future. Due to the more complex harvesting process and partly unfavorable production conditions, grassland has higher production costs compared to arable biogas substrates. The consideration of iLUC Factors with high prices for GHG emissions could improve the competitiveness of grassland to such an extent that it is competitive with the production of biogas substrates on arable land. However, silage maize is often the more favorable biogas substrate in many respects, as chapter 3 shows by means of a site modeling for biogas plants in Baden-Wuerttemberg. In chapter 4 and 5 the potential of straw for energetic and material use is analyzed. These investigations are based on the combination of EFEM with the techno-economic location optimization model BIOLOCATE. The results clearly show the interaction between the economies of scale and the rising raw material supply costs. On the one hand, the average investment costs decrease with increasing plant size, but on the other hand the raw material costs increase, because the transport distances increase and an increasing demand for biomass results also in higher market prices. Additionally, the results show that straw can make a fundamental contribution to the bioeconomy by providing regional bioenergy and as feedstock for material value chains. However, even the use of by-products can have effects on cultivation structures and thus, reduce the production of agricultural biogas substrates, among other things. In Chapter 6 the effects of macroeconomic expansion paths of the bioeconomy on agricultural production structures in Baden-Wuerttemberg are investigated. For this purpose, the results of an iterative model coupling between the agricultural sector model ESIM and the energy sector model TIMES-PanEU of four bioeconomic scenarios are scaled down from national level to regional and farm level using EFEM. The results show different impacts on farm types and thus illustrate the advantages of a differentiated analysis of the expansion of the bioeconomy. Therefore, farms with mainly extensive production methods such as suckler cow husbandry do not profit from the expansion of the bioeconomy due to unfavorable production conditions, while especially large arable farms in fertile regions would benefit disproportional more than the average. Basically, the results reveal limits to the mobilization of additional biomass potential. The reason for this is the already high cultivation intensity of agricultural production in Germany, in which the expansion of one production restricts production of another due to competition for the limited agricultural land. For grassland, the results show that the decline in grassland-based cattle farming and unfavorable economic conditions can lead to a significant increase of unused grassland. Grassland thus presents itself as a promising resource for biomass production for the bioeconomy, as it can provide important ecosystem services (e.g. biodiversity) in addition to the provision of raw materials. However, a political framework has to be established that promotes ecological services accordingly. Finally, in chapter 7 additional research needs are identified, which include further development of the methodological approach. These comprise an extension of the analysis by macroeconomic models to integrate interactions with the material use in a more detailed way. Furthermore, an integration of ecological parameters is necessary for a holistic analysis in the context of bioeconomy