Dokumentation - Kurzumtriebsplantagen
Inhalt
Inputs
Die schlagspezifischen Inputs hinsichtlich der Standortbedingungen und Erträge sind in den Dateien src_in_2011.csv und src_in_2031.csv abgelegt. Eine 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 Feldfrüchte, dessen Ergebnisse für die Berechnung der Annuitätendifferenz herangezogen werden. 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 Submodel Kurzumtriebsplantagen (Abschnitt srcParams) verwendet:
| 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 für KUP 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 |
| baseVarCostsCreation | EUR/ha | Basiskosten (variabel) der Bestandesbegründung |
| baseVarCostsDismanteling | EUR/ha | Basiskosten (variabel) der Rückführung |
| baseLabourCosts | EUR | Basisarbeitskosten der Ernte zu Beginn der Simulationsperiode |
| varCostsChange | % | Jährl. Kostenänderungsprozentsatz (variabel) |
| varCostsChangeCreation | % | Jährl. Änderungsprozentsatz für die Begründungskosten |
| varCostsChangeDismanteling | % | Jährl. Änderungsprozentsatz für die Rückführungskosten |
| labourCostsChange | % | Jährl. Arbeitskostenänderungsprozentsatz |
| varCostsYieldBeta1 | - | Parameter beta der Funktion der variablen Kosten |
| varCostsYieldReference | t_atro/a | Referenzertrag für die Basiskosten (variabel) |
| labourCostsYieldBeta1 | - | Parameter beta der Funktion der Arbeitskosten |
| labourCostsYieldReference | t_atro/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 | t_atro/a | mittl. jährl. Basisertrag |
| baseYieldPercent | % | Prozentuale Ertragsanpassung |
| harvestingInterval | a | Zeitspanne zwischen zwei Ernten |
Zur Ermittlung entsprechender Parameterwerte haben Busch & Thiele (2015) eine Methode vorgestellt und exemplarisch für Flächen in Südniedersachsen angewendet.
Für die Festlegung von Flächenauswahlrestriktionen werden folgende Parameter verwendet:
| Name | Einheit | Beschreibung |
|---|---|---|
| maxSrcArea | ha | Maximaler Schlaggröße |
| maxSrcPercentagePerAdminUnit | % | Maximaler Anteil der KUP-Fläche an der Gesamtfläche der Schläge der jeweiligen administrativen Raumeinheiten |
| maxSrcPercentagePerEcologicalUnit | % | Maximaler Anteil der KUP-Fläche an der Gesamtfläche der Schläge der jeweiligen ökologischen Raumeinheiten |
| minSrcDistance | m | Mindestabstand zwischen den KUP-Schlägen |
| noBirdProtectionAreas | - | Keine Vorgelschutzgebiete |
| noFFHAreas | - | Keine FFH-Schutzgebiete (Natura 2000) |
| noFloodingAreas | - | Keine Überschwemmungsgebiete |
| onlyFloodingAreas | - | Ausschließlich Überschwemmungsgebiete |
| noNatureConservationAreas | - | Keine Naturschutzgebiete |
| noRegionSpecProtectionAreas | - | Keine regionsspezifischen Schutzgebiete |
| noWaterProtectionAreas | - | Keine Wasserschutzgebiete |
| onlyWaterProtectionAreas | - | Ausschließlich Wasserschutzgebiete |
| onlyBufferAreas | - | Ausschließlich Pufferflächen |
| noBufferAreas | - | Keine Pufferflächen |
Die Parameter der folgenden zwei Tabellen werden für die Definition von Zielvorstellungen verwendet, die eine potentielle KUP-Fläche erfüllen muss. Die Zielvorstellungen sind in zwei Gruppen geteilt: harte Kriterien mit Minimal- und/oder Maximalwerten (äquivalent zu den Restriktionen; beide Tabellen) und Zielvorstellungen, die für die Optimierung der Flächenauswahl verwendet werden (nur zweite Tabelle). Für die erste Gruppe können jeweils Minimal- (minTarget) und Maximalwerte (maxTarget) angegeben werden. Entsprechend werden die boolischen Parameter useMinTarget und useMaxTarget auf true oder false gesetzt. Sie geben an, ob die jeweilige Zielvorstellung angewendet werden soll.
| Name | Einheit | Beschreibung |
|---|---|---|
| slope | % | Hangneigung |
| soilQualityIndex | - | Ackerkennzahl |
| soilMoistureIndex | - | Feuchtestufe |
Die Ergebnisse des paarweisen Vergleichs des Analytical Hierarchy Process sind im Bereich pairwiseCriteriaComparison gespeichert. Nummern kennzeichnen die Kriterien, die miteinander vergleichen werden mit der folgenden Bedeutung:
| Nummer | Kriterium |
|---|---|
| 1 | Unterschied zwischen Annuität der Feldruchtrotation und KUP |
| 2 | (Wasser-) Erosionsgefährdung |
| 3 | Landschaftsdiversität |
| 4 | Nitratauswaschung |
| 5 | Grundwasserneubildung |
| 6 | Flächenkomplexität |
Zum Beispiel speichert erosion23 den Wert des Paarvergleichs zwischen "(Wasser-) Erosionsgefährdung" und "Landschaftsdiversität".
Zielvorstellung, die für die Optimierung verwendet werden (sog. Kriterien) beinhalten
Subparameter für die Gewichtung und Skalierung.
Die Gewichtung der Kriterien wird im Element criterionWeight (mit Werten zwischen 0 und 100) gespeichert
und repräsentiert das relative Gewicht des jeweiligen Kriteriums im Vergleich zu
den übrigen Kriterien.
Die Skalierung basiert auf fünf Stützpunkten mit Wertepaaren aus Kriterienwert und Skalierungswert.
Skalierungswerte sind immer im Wertebereich zwischen 0 und 100.
| Name | Einheit | Beschreibung |
|---|---|---|
| landscapeDiversity | m/ha | Landschaftsdiversität |
| erosion | t/ha/a | (Wasser-) Erosionsgefährdung |
| areaComplexity | ha/h*10 | Flächenkomplexität |
| annuityDifference | EUR/ha/a | Unterschied zwischen Annuität der Feldruchtrotation und KUP |
| nitrateLeaching | t N/ha/a | Nitratauswaschung |
| percolationWater | mm/m^2/a | Grundwasserneubildung |
Prozesse
Ertrag und Ökonomie
Die Erntesimulation findet in 5jährigen Perioden statt. Berücksichtigt wird der bis dahin kumulierte Zuwachs. Innerhalb einer 20jährigen Simulationsperiode fallen somit vier Ernten an.
Zunächst wird für alle Schläge einheitlich das Intercept für die Funktion der variablen Kosten und der Arbeitskosten aus den Parametern ermittelt:
$varCostsIntercept=baseVarCosts-varCostsYieldBeta1*varCostsYieldReference$
$labourCostsIntercept=baseLabourCosts-labourCostsYieldBeta1*$
$labourCostsYieldReference$
Die sich anschließenden Prozesse werden in einer Schleife über alle Schlagflächen getrennt für jeden Schlag berechnet.
Zunächst wird der jährliche Ertrag in Abhängigkeit des prozentualen Ertragsniveaus ermittelt:
$yield_r = yield_r * {baseYieldPercent \over 100}$
mit $r$=Nummer des Ernteintervalls
Vor der Schleife über die Ernteintervalle werden für jeden Schlag die Arbeitskostenkorrekturfaktoren bezüglich der Hangneigung und der Flächengröße ermittelt:
$labourCostsSlopCorrection=1+(labourCostsSlopeFactor*e^{(labourCostsSlopeExponent*slope)})$
$labourCostsAreaCorrection={{area^{labourCostsAreaBeta1}} \over {labourCostsAreaReference^{labourCostsAreaBeta1}}}$
Die folgenden Prozesse werden in einer Schleife für jedes Ernteintervall durchgeführt.
Dabei wird zunächst die Summe der Erträge für das entsprechende Ernteintervall ermittelt.
$yieldSum_r=\sum_{y=1}^{5} yield_y$
Die variablen Kosten ergeben sich in Abhängigkeit von der Ertragssumme durch:
$varCosts_r=varCostsIntercept+varCostsYieldBeta1*yield_r$
Die Arbeitskosten werden in Abhängigkeit von der Ertragssumme und der Hangneigungs- und Flächenkorrektur wie folgt berechnet:
$labourCosts_r=(labourCostsIntercept+labourCostsYieldBeta1*yield_r)*$
$labourCostsSlopCorrection*labourCostsAreaCorrection$
Die variablen Kosten und die Arbeitskosten sowie die Preise werden anschließend noch mit den entsprechenden Änderungsprozentsätzen auf das Jahr der Ernte prolongiert:
$varCosts_r=varCosts_r*(1+{varCostsChange \over 100})^t$
$labourCosts_r=labourCosts_r*(1+{labourCostsChange \over 100})^t$
$price_r = basePrice * (1+{priceChange \over 100})^t$
mit $t$=zeitl.Abstand vom Simulationsstartpunkt zum Ernteperiodenende in Jahren
Nun kann der Deckungsbeitrag der jeweiligen Ernte ermittelt werden:
$cm_r=price_r*yieldSum_r-varCosts_r-labourCosts_r$
Anschließend wird dieser Deckungsbeitrag auf den Simulationsstartpunkt diskontiert, d.h. der Kapitalwert berechnet:
$cm_{discount_r}={{cm_r} \over {(1+{interestRate \over 100})^t}}$
Und zur Kapitalwertsumme addiert:
$netPresentValue = \sum_{r=0}^{3} cm_{discount_r}$
Hier endet die Schleife über die Ernteintervalle.
Nun wird die jährliche, diskontierte Flächenprämie zur Kapitalwertsumme addiert:
$netPresentValue=netPresentValue+ \sum_{j=0}^{periodLength-1} {areaPayment \over {(1+{interestRate \over 100})^j}}$
Danach werden die Begründungskosten und die diskontierten Rückführungskosten von der Kapitalwertsumme subtrahiert nachdem sie mit den Kostensteigerungsprozentsätzen prolongiert wurden:
$dismantelingCosts=baseVarCostsDismanteling*(1+{varCostsChangeDismanteling \over 100})^{periodLength}$
$netPresentValue=netPresentValue-{dismantelingCosts \over {(1+{interestRate \over 100})^{periodLength}}}$
$netPresentValue=netPresentValue-varCostsChangeCreation$
Nun kann die jährliche Annuität 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 $i = 1 + {interestRate \over 100}$
Sowie die Annuitätendifferenz im Vergleich zur Feldfruchfolge:
$annuityDifference=annuity_{src}-annutiy_{cropRotation}$
Begleitend wird auch noch die Summe der Erträge über die gesamte Simulationsperiode bzw. Betriebsdauer, also über vier Ernteintervalle, gebildet:
$totalYield= \sum_{r=0}^{3} yieldSum_r$
Anschließend wird diese Ertragssumme zusätzlich in eine Energiesumme überführt:
$energySum=totalYield*tAtro2MWh$
Restritionen (I.)
Wurden Restriktionen bezüglich
| max. Schlagflächengröße |
| ausschließlich Pufferflächen |
| keine Pufferflächen |
| keine Vorgelschutzgebiete |
| keine FFH-Schutzgebiete (Natura 2000) |
| keine Überschwemmungsgebiete |
| keine Naturschutzgebiete |
| keine Wasserschutzgebiete |
| keine regionsspezifischen Schutzgebiete |
gesetzt, so werden diese in einer Schleife über die Schläge nun angewendet. Das Attribut fulfillsRestrictions wird entsprechend auf true oder false gesetzt. Dieser Prozess reduziert ggf. die Anzahl der potentiellen KUP-Flächen.
Zielvorstellungen
Wurden minimale und/oder maximale Zielvorstellungen bezüglich
| Annuitätendifferenz |
| (Wasser-) Erosionsgefährdung |
| Landschaftsdiversität |
| Grundwasserneubildung |
| Nitratauswaschung |
| Flächenkomplexität |
| Hangneigung |
| Ackerkennzahl |
| Feuchtestufe |
gewählt, so werden diese nun in einer Schleife über die Schläge angewendet. Das Attribut fulfillsTargets wird entsprechend auf true oder false gesetzt.
Kriterienwerte
Hier wird in einer Schleife über alle Schläge für jeden Schlag ein skalierter Kriterienwert für die folgenden Kriterien berechnet:
| Annuitätendifferenz |
| (Wasser-) Erosionsgefährdung |
| Landschaftsdiversität |
| Grundwasserneubildung |
| Nitratauswaschung |
| Flächenkomplexität |
Anhand der vom Nutzer gewählten Skalierung wird der in der Inputtabelle abgelegte
Kriterienwert auf den Wertebereich von 0 bis 100 skaliert.
Zwischen den vom Nutzer angegebenen Stützpunkten wird linear interpoliert.
Mit Ausnahme der Annuitätendifferenz, die erst während der Szenariosimulation berechnet wird,
entstammen die Basiswerte für die Kriterien den Inputdaten.
Dieser skalierte Wert wird für die Ergebnisausgabe gespeichert.
Zudem wird er mit dem über den Analytical Hierarchy Process (AHP) ermittelten Gewicht (umgerechnet auf 0.0 bis 1.0)
multipliziert und zur Kriteriensumme addiert.
Die Kriteriensumme hat damit einen möglichen Wertebereich von 0 bis 100.
$scaledCriteriaSum= \sum_{c=1}^{\text{Number of criteria}} scaledCriterionValue_c*criterionWeight_c$
Flächenauswahl und Restriktionen (II.)
Zunächst werden hier die Flächensummen je administrativer Flächeneinheit (adminId) und
je ökologischer Flächeneinheit (ecologicalId) berechnet.
Danach wird ermittelt, wieviel Hektar jeweils mit KUP bestellt werden können,
ohne die Restriktion des max. Flächenanteils je administrativer und/oder ökologischer
Flächeneinheit zu verletzen.
Nun werden die Schläge nach absteigender Kriteriensumme sortiert.
Anschließend wird über die sortierten Schläge iteriert.
Dabei wird das Attribut src auf true gesetzt, sofern sowohl
fulfillsRestrictions als auch fulfillsTargets den Wert true besitzen
und die zulässige Flächensumme der jeweiligen administrativen und/oder ökologischen
Flächeneinheit noch nicht ausgeschöpft ist. Wird src auf true gesetzt,
wird die zulässige Flächensumme der administrativen und ökologischen Flächeneinheit um die
Fläche des jeweiligen Schlags reduziert.
Präferenzklassifizierung
Die Schlagflächen, die als potentielle KUP-Standorte ausgewählt wurden, werden hier einer KUP Klasse zugewiesen. Dies geschieht auf Basis der Kriteriensumme. Die entsprechenden Klassengrenzen sind wie folgt festgelegt:
| KUP-Präferenzklasse | scaledCriteriaSum |
|---|---|
| 5 | < 20 |
| 4 | < 50 |
| 3 | < 60 |
| 2 | < 80 |
| 1 | sonst |
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.