Dokumentation - Feldfrüchte
Inhalt
Inputs
Die schlagspezifischen Inputs hinsichtlich der Standortbedingungen und Erträge sind in den Dateien src_in_2011.csv und src_in_2031.csv abgelegt, mit einer Datei für jede Simulationsperiode. Die Dateien enthalten Werte für jede Ernteperiode innerhalb der jeweiligen Simulationsperiode. Diese Dateien beinhalten zusätzlich auch die Inputs für das Submodell der Kurzumtriebsplantagen. Die räumlichen Polygone der Schläge sind in der Datei fields.geojson abgelegt (in der Projektion ETRS84-UTM32N). Die Polygone können über das Feld beastid mit den Attributdaten verknüpft werden.
Die Ernteerträge müssen vorprozessiert werden und werden dann im BEAST über die Inputdateien geladen und für die Szenarioberechnungen verwendet. Dies eröffnet die Möglichkeit, die Erträge für die unterschiedlichen Ernte-/Simulationsperioden zu variieren, um so z.B. Effekte des Klimawandels zu berücksichtigen. Eine Methode zur Entwicklung und Anwednung von Ertragsmodellen am Beispiel für Südniedersachsen ist in Busch & Thiele (2015) zu finden.
Die folgende Tabelle zeigt die Struktur der Inputdateien (src_in_2011.csv und src_in_2031.csv).
| Spalte | Typ | Einheit | Beschreibung |
|---|---|---|---|
| beastid | Integer | - | ID des zugehörigen Polygons |
| startyear | Integer | a | Startjahr des Ernteintervalls |
| area | Integer | ha | Schlagflächengröße |
| slope | Integer | % | Hangneigung |
| adminId | Integer | - | ID der administrativen Raumeinheit (z.B. Gemeinde) |
| ecologicalId | Integer | - | ID der ökologischen Raumeinheit |
| soilQualityIndex | Integer | - | Ackerkennzahl |
| soilMoistureIndex | Integer | - | Feuchtestufe |
| rotation | Text | - | Feldfruchtrotation (separiert durch "-", z.B.: wheat-rape-barley) |
| birdProtectionArea | Boolean | - | Liegt der Schlag in einem Vogelschutzgebiet |
| ffhArea | Boolean | - | Liegt der Schlag in einem FFH-Schutzgebiet (Natura 2000) |
| floodingArea | Boolean | - | Liegt der Schlag in einem Überschwemmungsgebiet |
| natureConservationArea | Boolean | - | Liegt der Schlag in einem Naturschutzgebiet |
| regionSpecificProtectionArea | Boolean | - | Liegt der Schlag in einem regionsspezifischen Schutzgebiet |
| waterProtectionArea | Boolean | - | Liegt der Schlag in einem Wasserschutzgebiet |
| bufferArea | Boolean | - | Liegt der Schlag in einer Pufferfläche |
| erosion | Integer | t/ha/a | Kriterienwert (Wasser-) Erosionsgefährdung |
| areaComplexity | Integer | h/ha * 10 | Kriterienwert Flächenkomplexität |
| percolationWater | Integer | mm/m^2/a | Kriterienwert Sickerwasserrate |
| landscapeDiversity | Integer | m/ha | Kriterienwert Landschaftsdiversität |
| nitrateLeaching | Integer | t N/ha/a | Kriterienwert Nitratauswaschung |
| wheat1 | Integer | dt/ha/a | Jährl. (potentieller) Weizenertrag in der ersten Dekade |
| wheat2 | Integer | dt/ha/a | Jährl. (potentieller) Weizenertrag in der zweiten Dekade |
| sugarBeet1 | Integer | dt/ha/a | Jährl. (potentieller) Zuckerrübenertrag in der ersten Dekade |
| sugarBeet2 | Integer | dt/ha/a | Jährl. (potentieller) Zuckerrübenertrag in der zweiten Dekade |
| barley1 | Integer | dt/ha/a | Jährl. (potentieller) Gerstenertrag in der ersten Dekade |
| barley2 | Integer | dt/ha/a | Jährl. (potentieller) Gerstenertrag in der zweiten Dekade |
| rape1 | Integer | dt/ha/a | Jährl. (potentieller) Rapsertrag in der ersten Dekade |
| rape2 | Integer | dt/ha/a | Jährl. (potentieller) Rapsertrag in der zweiten Dekade |
| maize1 | Integer | dt/ha/a | Jährl. (potentieller) Maisertrag in der ersten Dekade |
| maize2 | Integer | dt/ha/a | Jährl. (potentieller) Maisertrag in der zweiten Dekade |
| src1 | Integer | dt/ha/a | Jährl. (potentieller) KUP-Ertrag im ersten 5-jähr. Ernteintervall |
| src2 | Integer | dt/ha/a | Jährl. (potentieller) KUP-Ertrag im zweiten 5-jähr. Ernteintervall |
| src3 | Integer | dt/ha/a | Jährl. (potentieller) KUP-Ertrag im dritten 5-jähr. Ernteintervall |
| src4 | Integer | dt/ha/a | Jährl. (potentieller) KUP-Ertrag im vierten 5-jähr. Ernteintervall |
Parameter
Folgende Parameter aus der Datei parameters.xml werden für das Submodell der Feldfrüchte verwendet (Abschnitt srcParams; gemeinsam genutzt mit dem Submodell für KUP):
| Name | Einheit | Beschreibung |
|---|---|---|
| startyear | a | Startjahr der Periode für die die Parameterwerte gelten |
| periodLength | a | Länge einer Simulations- bzw. Ausgabeperiode |
| yieldPeriodLength | a | Länge des Ernteintervalls |
| interestRate | % | kalkulatorischer Zinssatz |
| tAtro2MWh | MWh/Tonnen atro | Umrechnungsfaktor von Tonnen atro in MWh |
Zusätzlich werden folgende Parameter, getrennt für jede Feldfrucht (Weizen, Zuckerrübe, Gerste, Raps und Mais), verwendet:
| Name | Einheit | Beschreibung |
|---|---|---|
| areaPayment | EUR/ha/a | Jährl. Flächenprämie pro Hektar |
| basePrice | EUR/dt | Basispreis zu Beginn der Simulationsperiode |
| priceChange | % | Jährl. Preisänderungsprozentsatz |
| baseVarCosts | EUR | Basiskosten (variabel) der Ernte zu Beginn der Simulationsperiode |
| baseLabourCosts | EUR | Basisarbeitskosten der Ernte zu Beginn der Simulationsperiode |
| varCostsChange | % | Jährl. Kostenänderungsprozentsatz (variabel) |
| labourCostsChange | % | Jährl. Arbeitskostenänderungsprozentsatz |
| varCostsYieldBeta1 | - | Parameter beta der Funktion der variablen Kosten |
| varCostsYieldReference | dt/ha/a | Referenzertrag für die Basiskosten (variabel) |
| labourCostsYieldBeta1 | - | Parameter beta der Funktion der Arbeitskosten |
| labourCostsYieldReference | dt/ha/a | Referenzertrag für die Arbeitskosten |
| labourCostsSlopeFactor | - | Faktor in Hangneigungskorrekturterm der Arbeitskostenfunktion |
| labourCostsSlopeExponent | - | Exponent in Hangneigungskorrekturterm der Arbeitskostenfunktion |
| labourCostsAreaBeta1 | - | Parameter beta in Flächenkorrekturterm der Arbeitskostenfunktion |
| labourCostsAreaReference | ha | Referenzfläche für die Basisarbeitskosten |
| meanBaseYield | dt/ha/a | mittl. jährl. Basisertrag |
| baseYieldPercent | % | Prozentuale Ertragsanpassung |
| yieldChange | % | Jährl. Ertragsänderungsprozentsatz |
Zur Ermittlung entsprechender Parameterwerte haben Busch & Thiele (2015) eine Methode vorgestellt und exemplarisch für Flächen in Südniedersachsen angewendet.
Prozesse
Die Simulation von Feldfruchterträgen und –annuitäten dient vor allem als Referenz und dem Vergleich mit KUP. Die Feldfrüchte werden sowohl einzeln als auch als Fruchtfolge simuliert. Die Fruchtfolgensimulation dient der Berechnung der Annuitätendifferenz (siehe Dokumentation zu KUP). Ernten finden hier jährlich statt. Innerhalb einer 20jährigen Simulationsperiode fallen somit 20 Ernten an.
In einer Schleife werden die folgenden Berechnungen für alle Feldfrüchte durchgeführt:
Zunächst werden die Ertragsfaktoren für jedes Jahr, d.h. 20-mal, auf Basis des prozentualen Ertragsniveaus und der jährlichen prozentualen Ertragsveränderung ermittelt:
$yieldFactor_t={baseYieldPercent \over 100} * ({1+{yieldChange \over 100}})^t$
mit $t$ = zeitl.Abstand vom Simulationsstartpunkt zum Erntejahr in Jahren
Danach werden die für jedes Erntejahr gültigen Preise für jede Feldfrucht erzeugt:
$price_t = basePrice * (1+{priceChange \over 100})^t$
sowie die Intercepts für die variablen Kosten und die Arbeitskosten ermittelt:
$varCostsIntercept=baseVarCosts-varCostsYieldBeta1*varCostsYieldReference$
$labourCostsIntercept=baseLabourCosts-labourCostsYieldBeta1$
$*labourCostsYieldReference$
Anschließend läuft eine geschachtelte Schleife über die einzelnen Schlagflächen und die Früchte, in der die folgenden Berechnungen für jede Schlagfläche und jede Frucht durchgeführt werden.
Zuerst werden die realisierten Erträge für jedes Jahr ermittelt ($cropYield$ wird durch den Namen der jeweiligen Frucht ersetzt. Die Namen werden den Inputdateien entnommen):
$yield_t = cropYield_r*yieldFactor_t$
mit $r=\begin{cases} {1} & \quad \text{, } 0 \leq t \lt 10\\ {2} & \quad \text{, } t \geq 10\\ \end{cases}$
Danach werden die variablen Kosten und die Arbeitskosten für jedes Jahr berechnet:
$labourCostsSlopCorrection=1+(labourCostsSlopeFactor*e^{(labourCostsSlopeExponent*slope)})$
$labourCostsAreaCorrection={{area^{labourCostsAreaBeta1}} \over {labourCostsAreaReference^{labourCostsAreaBeta1}}}$
$varCosts_t=varCostsIntercept+varCostsYieldBeta1*yield_t$
$labourCosts_t=(labourCostsIntercept+labourCostsYieldBeta1*yield_t)*$
$labourCostsSlopCorrection*labourCostsAreaCorrection$
$varCosts_t=varCosts_t*(1+{varCostsChange \over 100})^t$
$labourCosts_t=labourCosts_t*(1+{labourCostsChange \over 100})^t$
Nun kann der jährliche Deckungsbeitrag für jedes Jahr der Simulationsperiode ermittelt werden:
$cm_t=price_t*yield_t-varCosts_t-labourCosts_t$
Anschließend werden diese Deckungsbeiträge auf den Simulationsstartpunkt diskontiert, d.h. die Kapitalwerte berechnet:
$cm_{discount_t}={{cm_t+areaPayment} \over {(1+{interestRate \over 100})^t}}$
und zur Kapitalwertsumme addiert:
$netPresentValue = \sum_{t=0}^{periodLength-1} cm_{discount_t}$
Nun kann die jährliche Annuität der Deckungsbeiträge für jede Frucht ermittelt werden:
$annuity = \begin{cases} {netPresentValue * {{i^{(periodLength-1)} * (i - 1)} \over {i^{periodLength} - 1}}} & \quad \text{, if } interestRate > 0\\ {netPresentValue \over periodLength} & \quad \text{, else}\\ \end{cases} $
mit $i = 1 + {interestRate \over 100}$
Hier endet die Schleife über die Früchte.
Nun wird aus den Einzelfruchtergebnissen die Annuität für die Fruchtfolge als mittlere Annuität aus den Einzelfruchtannuitäten berechnet:
$cropRotationAnnuity={{\sum_{f=0}^{ff} annuity_f} \over ff}$
mit $ff$=Anzahl der Früchte in der Fruchtfolge; $f$=Nummer/Index der Frucht in der Fruchtfolge
Referenzen
Busch G., Thiele J.C. (2015) The Bioenergy Allocation and Scenario Tool (BEAST) to Assess Options for the Siting of Short Roation Coppice in Agricultural Landscapes: Tool Development and Case Study Results from the Göttingen District. In: D. Butler Manning, A. Bemmann, M. Bredemeier, N. Lamersdorf, C. Ammer (eds.): Bioenergy from Dendromass for the Sustainable Development of Rural Areas. Wiley-VCH, pp. 23-43.