Agriculture as emission source and carbon sink : economic-ecological modelling for the EU-15

Abstract

The thesis develops and applies analytical tools to describe economic and ecological impacts of greenhouse gas mitigation strategies in European agriculture. Agriculture is widely perceived as emission source, but actually it can also act as emission sink by sequestration of atmospheric carbon to agricultural soils. Thereby, soil carbon pools potentially store twice as much carbon as contained in the atmosphere. In view of this circumstance, the study analysed agricultural emission sources and mitigation scenarios in the area of conservation tillage and bio-energy production. The analysis was within a mixed-integer programming model optimizing total gross margins of typical farms of NUTS-II-regions in the EU-15. For this micro-economic analysis high quality region specific cost estimates for main agricultural products were indispensible. Thereby a new approach was developed that draws European accountancy data and German engineering cost data. The first dataset comprises of up-to-date crop-unspecific cost data as indicated by European bookkeeping farms. The second comprises of crop specific cost data from German farms. Through a combination of both datasets crop specific estimates of production costs on regional level for the EU-15 evolved. Another study that starts from accountancy data to deduct product cost estimates is currently funded by the European Commission (Farm Accountancy Cost Estimation and Policy Analysis of European Agriculture). By monetarizing greenhouse gas emissions, the Kyoto-Protocol has increased the demand for economic-ecological models to analyse emission scenarios. The study model, EU-EFEM, integrates biophysical data to site-specifically simulate soil carbon dynamics in terms of the mitigation scenario ?conservational tillage?. This approach provides a level of detail that is significantly superior to the one achieved by soil emission factors specified only to global climate zones, a few soil types, and soil management alternatives like provided by the global standard work for the calculation of greenhouse gas emissions, the guidelines of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). The biophysical data was integrated from the EPIC-model to which an interface was established. In the analysis of the agricultural sink function increased input of organic matter, crop rotational modifications, and conservational tillage were assessed. A first scenario that could be monitored relatively easily forces minimum shares of conservational tillage per farm. It was shown that all farms in the EU-15 could comply even with a forced share of 100%. But on average, shares exceeding 80% entail economic losses, basically because of the incompatibility of certain current crop rotations with conservational tillage. Against the average loss of 20 ?/ha in case of 100% of forced conservational tillage, stand single farms facing a loss of 350 ?/ha. Simultaneously soil carbon accumulation remained at marginal levels. In another scenario that directly forces soil carbon accumulation while leaving the choice of the appropriate means to farmers, an accumulation of 181 million tCO2e was achieved. This value corresponds to a forced accumulation of 1.0 t C/ha, a rate out of reach for 25 out of all analysed NUTS-II-regions. Mitigation costs are at 70 ?/tCO2e in this case, but at 10 ?/tCO2e only if only those regions are considered in which the minimum accumulation rates can be achieved. The latter is a competitive value compared to current values of EU traded emission rights. Policy, however, should withdraw from a regulation forcing minimum SOC-accumulation. Main reasons are the difficult monitoring, which would be required on site level, and the absence of a success guarantee on side of farmers for taken measures. Designing effective political instruments, the humus balance as stipulated in the Cross-Compliance regulation of the reformed AGENDA 2000 represents a prefect starting point. The study also analyzed agricultural biogas production with electricity recovery in a combined heat and power (CHP) unit and different (waste) heat utilization rates. European agriculture could increase annual profits by 1.6 to 9.2 billion ? depending mainly on waste heat utilization rate. In the best case, the contribution to climate change mitigation is 263 Mill tCO2e while realising a mitigation gain of 5 ?/tCO2e when excluding subsidies comprised in the feed-in tariff. Being an issue in any discussion about agricultural bio-energy production, the study also analyses the competition for agricultural land with food and feed production. Tapping the full agricultural biogas production potential, 28.7% of grassland and 18.5% of arable land would be bound, although the study constrains biogas production to co-fermentation with manure. The impacts of this competition on agricultural prices could not be analysed in this study, since the applied model is a farm model and not a market equilibrium model. By means of literature research, however, it was concluded that subsidies of biogas production should focus on promoting the fermentation of manure and the utilization of waste heat in order to limit area competition and not to promote the utilization of cultivated biomass.

Die Arbeit entwickelte analytische Werkzeuge zur Bewertung ökonomischer und ökologischer Aspekte von Treibhausgasminderungsstrategien in der europäischen Landwirtschaft. Die Landwirtschaft wird weitgehend mit Emissionen in Verbindung gebracht, dabei kann sie durch Boden-C-Anreicherung auch als Emissionsenke fungieren. In Anbetracht dessen wurden landwirtschaftliche Emissionsquellen und Minderungsstrategien im Bereich von konservierender Bodenbearbeitung und Bioenergieproduktion untersucht. Die Analyse erfolgte mittels eines gemischt-ganzzahligen Programmierungsmodells das den Gesamtdeckungsbeitrag von typischen Betrieben in den NUTS-II-Regionen der EU-15 optimiert. Diese betriebswirtschaftliche Analyse erfordert regionsspezifische Schätzungen von Produktionskosten der wichtigsten Agrarprodukte in höchster Qualität. In diesem Zusammenhang wurde ein neuer Ansatz entwickelt der auf europäische Buchführungsdaten und eine deutsche Datenbank für arbeitsgangspezifische Produktionskosten zurückgreift. Erst genannter Datensatz besteht aus aktuellen, nicht kulturartspezifischen Kosten europäischer Buchführungsbetriebe. Zweit genannter besteht aus kulturartspezifischen Kosten deutscher Betriebe. Durch die Kombination beider Datensätze konnten kulturartspezifische Kosten auf regionaler Ebene für die EU-15 hergeleitet werden. Eine Studie die ebenso Produktionskosten aus Buchführungsdaten schätzt wird derzeit von der EU gefördert (Farm Accountancy Cost Estimation and Policy Analysis, FACEPA). Durch die Monetarisierung von Treibhausgasemissionen über das Kyoto-Protokoll stieg der Bedarf an öknomisch-ökologischen Analysemodellen. Das in Rahmen der Studie entwickelte Modell, EU-EFEM, greift auf biophysikalische Daten zurück, um standortspezifische Boden-C-Dynamiken simulieren zu können. Dieser Ansatz ermöglicht eine detaillierte Simulation, welche die Analyse mittels Emissionsfaktoren für Böden, die lediglich nach Klimazonen, ein paar wenigen Bodenarten und Bodenbearbeitungsmaßnahmen unterscheiden, bei weitem übertrifft. Solche Faktoren werden vom globalen Standardwerk zur Berechnung von Treibhausgasemissionen, der Richtlinie des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), verwendet. Die Studie integrierte die standortspezifischen Daten aus dem EPIC-Modell zu dem eine Schnittstelle aufgebaut wurde. Zur Analyse der landwirtschaftlichen Senkenfunktion wurden der erhöhte Eintrag von organischem Material, Fruchtfolgeanpassungen und die konservierende Bodenbearbeitung untersucht. In einem ersten Szenario, das einfach gemonitort werden könnte, werden Mindestanteile an konservierender Bodenbearbeitung je Betrieb durchgesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass alle Betriebe in der EU-15 selbst einen Mindestanteil von 100% erfüllen könnten. Im Durchschnitt führen Anteile über 80% aber zu wirtschaftlichen Verlusten, die hauptsächlich darauf zurück zu führen sind, dass gewisse Fruchtfolgen inkompatibel mit konservierender Bodenbearbeitung sind. Im Vergleich zu den durchschnittlichen Verlusten, die bei 20 ?/ha liegen, haben einzelne Betriebe Verluste von bis zu 350 ?/ha zu verkraften. Gleichzeitig bleibt die Boden-C-Anreicherung auf marginalem Niveau. In einem weiteren Szenario, das die Boden-C-Anreicherung direkt über Mindestraten forciert, wird eine Anreicherung von bis zu 181 Mill. Tonnen erzielt. Dabei verbleibt die Wahl der geeigneten Maßnahme bei den Betrieben. Die erwähnte Anreicherung wird für den Fall erzielt, dass eine Rate von 1,0 t/ha erzwungen wird, wobei dies in 25 aller NUTS-II-Regionen nicht gelingt. Die Minderungskosten liegen bei 70 ?/tCO2e im Durchschnitt, aber sie betragen lediglich 10 ?/tCO2e, sofern nur die Regionen betrachtet werden, welche die Anforderung überhaupt erfüllen können. Kosten von 10 ? sind im Vergleich zum derzeitigen Emissionshandel in der EU ein wettbewerbsfähiger Wert. Die Politik ist aber angehalten solch eine Mindestanreichungsrate nicht durchzusetzen. Die Gründe liegen im schwierigen Monitoring, das auf Standortebene ansetzen müsste, und der unvollständigen Einflussnahme der Betriebe auf die tatsächliche Wirkung ergriffener Minderungsmaßnahmen. Besser sollte hier das bestehende Werkzeug aus der reformierten AGENDA 2000 zur Kontrolle der Humusanreicherung, die Cross-Compliance, ausgebaut werden. In der Studie wurde ferner die landwirtschaftliche Biogasgasherstellung untersucht. Dabei wird angenommen in einem Blockheizkraftwerk würde Strom gewonnen und (Teile der) Abwärme genutzt. In der EU könnte die Landwirtschaft so die Gewinne um 1,6 bis 9,2 Mill. ?, abhängig von der Nutzung der Abwärme, steigern. Bestenfalls tröge die Biogasproduktion zur Verminderung der Treibhausgasemissionen um 263 Mill. Tonnen bei, wobei die Minderungskosten bei -5 ?/tCO2e lägen (exkl. subventionierter Einspeisetarife). Immer ein Thema im Zusammenhang mit landwirtschaftlicher Bioenergieerzeugung, geht die Studie auf die Nutzungskonkurrenz um landwirtschaftliche Flächen ein. Würde die Biogasproduktion in vollem Umfang umgesetzt, würden 28,7% des Gras- und 18,5% des Ackerlandes gebunden, obgleich die Studie die Biogasproduktion an die Nutzung von Gülle knüpfte. Die Auswirkungen dieser Nutzungskonkurrenz auf Agrarpreise konnte mittels des verwendeten Betriebsmodells nicht analysiert werden. Hierzu bedarf es eines Gleichgewichtsmodells. Mittels Literarturrecherche wurde allerdings der Schluss gezogen, dass die Förderung der Biogasproduktion sich auf güllebasierte Anlagen und Wärmenutzung und nicht den Anbau nachwachsender Rohstoffe konzentrieren sollte.