Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4307
Main Title: Bioenergy markets in a climate constrained world
Translated Title: Die Auswirkungen der Klimapolitik auf Bioenergiemärkte
Author(s): Klein, David
Advisor(s): Edenhofer, Ottmar
Referee(s): Riahi, Keywan
Edenhofer, Ottmar
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Um gefährlichen Klimawandel zu vermeiden, werden starke Emissionsreduktionen im Energie- und Landnutzungs-Sektor benötigt. Zwischen verschiedenen Dekarbonisierungsoptionen sticht Bioenergie hervor, da sie zwei besondere Wege der Emissionsreduktion bietet. Erstens stellt sie wegen ihrer vielseitigen Einsetzbarkeit eine emissionsarme Alternative zu fossilen Brennstoffen in allen Energiesektoren dar. Zweitens kann sie aufgrund ihres Kohlenstoffgehalts in Kombination mit Kohlenstoffabscheidung (CCS) negative Emissionen erzeugen und somit Emissionen anderer Quellen über Zeit und Ort hinweg kompensieren. Diese Eigenschaft ist insbesondere für das Erreichen von Niedrig-Stabilisierungszielen interessant. Allerdings benötigt die Produktion von Biomasse fruchtbares Land, was Anlass gibt zur Sorge über nachteilige Nebeneffekte, wie z.B. zusätzliche Landnutzungs-Emissionen (LUC), Biodiversitäts-Verluste oder Nahrungsmittel-Konkurrenz. Anahnd der im IPCC Special Report on Renewable Energy Sources dargestellten Literatur wird deutlich, dass die verfügbaren Langfristszenarien zur Bewertung von Bioenergie als Klimaschutzoption diese Nebeneffekte, insbesondere die LUC, nur in geringem Maße berücksichtigen. Die vorliegende Arbeit möchte die Bewertung von Biomasse insbesondere im Hinblick auf negative Nebeneffekte verbessern, indem sie Erfordernisse und Konsequenzen der Bioenergienutzung im Energie- und Landnutzungs-Sektor untersucht. Im Rahmen dieser Dissertation wird analysiert, welche Rolle Bioenergie bei der Erfüllung ambitionierter, langfristiger Klimaschutzziele spielen kann. Dazu wird ein Modell entwickelt, das sowohl Komponenten des Energie-, Wirtschafts- und Klimasystems, als auch des Landnutzungs-Systems miteinander vereint, und dabei LUC berücksichtigt. Es werden das globale Biomasse-Potential und dessen Angebotspreise untersucht und wie diese durch die Bepreisung der LUC beeinflusst werden. Es wird der Frage nachgegangen, wie Bioenergie zur Dekarbonisierung des Energiesystems beiträgt, und was die ökonomischen Faktoren bei der Wahl von Bioenergie-Konversions-Routen sind. Ferner wird untersucht, wie Emissions-Minderungs-Strategien und deren Kosten von Beschränkungen auf der Angebots- und Nachfrageseite der Bioenergie abhängen. Die Ergebnisse zeigen, dass Bioenergie mit CCS (BECCS) eine entscheidende Minderungs-Option mit elementarer Bedeutung insbesondere für das Erreichen von strengen Klimaschutzzielen darstellt. Wenn CCS verfügbar ist, wird Biomasse ausschließlich mit CCS verwendet, überwiegend zur Produktion von Flüssigbrennstoffen. Beschränkungen des Bioenergiepotentials oder der CCS-Verfügbarkeit lassen die Vermeidungskosten erheblich ansteigen, was darauf hindeutet, dass ohne Biomasse oder CCS Niedrig-Stabilisierungs-Ziele schwer zu erreichen sind. Grasartige Biomasse kann zu globalen Preisen über 5 $/GJ produziert werden. Die Bepreisung von Emissionen im Landwirtschaftssektor erhöht die Bioenergiepreise, da hochproduktive Waldflächen dadurch ausgeschlossen werden und Stickstoff-Emissionen aus Düngernutzung zusätzliche Kosten verursachen. Die Bepreisung von Landnutzungsänderungs-Emissionen (LUC) wirken sogar vollständig schützend auf bestehenden Wald, was die globalen LUC Emissionen erheblich reduziert. Allerdings muss diese Reduzierung der verfügbaren Landflächen kompensiert werden durch Intensivierung und Ausdehnung in Flächen, die nicht der Emissionsbepreisung unterliegen. Die für die groß-skalige Biomasseproduktion in 2095 benötigten Durchschnittserträge belaufen sich auf 500 bis 600 GJ/ha. Die Ergebnisse zeigen des Weiteren, dass die Konkurrenz um Wasser zwischen Landwirtschaft, Haushalten und Industrie in vielen Regionen stark zunehmen könnte, insbesondere falls Wälder geschützt werden und Bioenergie nachgefragt wird. Die Analyse zeigt, dass die CCS-Technologie, sofern verfügbar, eine starke Bindung zwischen CO2- und Bioenergiepreisen etabliert. Dadurch dominiert in Szenarien mit hohen CO2-Preisen der Kohlenstoffwert der Biomasse ihren Energiewert. Hohe CO2-Preise bewirken daher Investitionen in Technologien, die nicht aus Gründen der Energieerzeugung gebaut würden. Die Preiskopplung erzeugt in Niedrig-Stabilisierungs-Szenarien außerdem eine hohe Zahlungsbereitschaft für Biomasse, welche die zuvor genannten Angebotspreise bei weitem übersteigt. Bioenergie ist deshalb so wertvoll, weil ihre negativen Emissionen das zulässige Budget von fossilen Energieträgern erhöht und es damit erlaubt, kurzfristige Emissionsreduktionen zu verzögern und langfristige Rest-Emissionen beizubehalten. Jedoch macht dies den verlängerten Kurzfrist-Einsatz von fossilen Energieträgern abhängig von der kombinierten Langfrist-Verfügbarkeit von Biomasse und CCS. Somit werden Unsicherheiten über die langfristige Entwicklung des Landwirtschafts-Sektors und der CCS-Technologie relevant für kurzfristige Entscheidungen über Emissions-Reduktionen.
Avoiding dangerous climate change requires substantial emission reductions in the energy and the land-use sector. Within the portfolio of decarbonization options bioenergy assumes a unique role because it can reduce emissions in two ways. First, due to its versatility it can provide low-carbon energy as a substitute for fossil fuels in all energy sectors. Second, due to its carbon content bioenergy combined with carbon capture and storage (CCS) can provide negative emissions that allow compensating emissions across sectors and time. However, biomass production requires fertile land giving rise to concerns about adverse effects, such as land-use change emissions, biodiversity loss, and competition with food production. Scrutinizing the bioenergy assessment carried out by The IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation this thesis finds that the available scenarios assessing bioenergy as a mitigation option only cover these adverse effects to a minor degree. This thesis aims at improving the bioenergy assessment by addressing potential consequences of and requirements for bioenergy deployment in the energy sector and the land-use sector. Using an integrated model framework of energy-economy-climate and land-use this thesis explores the global biomass potential and corresponding supply prices and investigates how pricing land-use and land-use change emissions affects the biomass potential and resulting emissions. It investigates how bioenergy contributes to the decarbonization of the energy system and identifies the economic drivers behind the choice of bioenergy conversion technologies. Finally, it analyzes how mitigation strategies and costs depend on constraints on the supply and demand side of bioenergy. Results show that bioenergy with CCS (BECCS) is a crucial mitigation option with paramount importance particularly for achieving stringent climate change mitigation targets. If CCS is available, bioenergy is exclusively used with CCS in mitigation scenarios and it is predominantly used to produce transport fuels. Mitigation costs rise sharply if bioenergy or CCS is constrained. This indicates that without bioenergy or CCS, it is difficult to achieve low stabilization targets. Grassy biomass feedstock can be produced at prices above 5 $/GJ. A potential climate policy that prices emissions in the land use sector significantly increases supply prices of bioenergy (by 5$/GJ in 2055 and by 10 $/GJ in 2095) since it reduces the land available for bioenergy production and since it adds costs for fertilizer emissions to the production costs. Results show that a carbon tax can be an effective measure to protect forests and to thereby reduce land-use change emissions, even if accompanied by large-scale bioenergy production. The combination of the carbon tax and the bioenergy demand (as typical for low-stabilization scenarios) causes substantial pressure and requires strong intensification on the remaining land. Energy crop yields would be required to rise beyond today’s potential yields (to around 600 GJ/ha in 2095). A climate policy that builds on carbon taxation and bioenergy deployment thus requires considerable accompanying R&D efforts ensuring continuous technological progress in the agricultural sector. Results further indicate that the competition for water between agriculture, private households, and industry is likely to increase heavily in many regions, particularly if forests are protected and bioenergy is used for climate change mitigation. In climate mitigation scenarios, the value of bioenergy is found to be determined by both its energy value and the value of potential negative emissions. Results show that the availability of BECCS creates a strong link between carbon prices and bioenergy prices. This causes the carbon value of biomass to exceed its pure energy value in low stabilization scenarios with BECCS availability. Rising carbon prices thus induce investments in technologies that would not be built for the purpose of energy production. Furthermore, through this price link stringent climate protection targets induce a high willingness-to-pay for bioenergy that exceeds by far bioenergy supply prices identified previously. Bioenergy is so valuable because its negative emissions increase the amount of permissible carbon emissions from fossil fuels and therefore allow postponing emissions reductions in the short-term and the preservation of some residual emissions in the long run. For a given climate target, bioenergy thus acts as a complement to fossils rather than a substitute. However, this makes the prolonged short-term deployment of fossil fuels dependent on the long-term potential of biomass and the availability of CCS.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-60577
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4604
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4307
Exam Date: 28-Nov-2014
Issue Date: 2-Mar-2015
Date Available: 2-Mar-2015
DDC Class: 621 Angewandte Physik
Subject(s): Bioenergie
CO2-Steuer
Klimaschutz
Klimawandel
Landnutzung
Bioenergy
Carbon tax
Climate change
Emission reduction
Land use
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