Biogas production in the light of the German Fertilization Ordinance

Abstract

In Germany, the expansion of biogas plants is fostered by the Renewable Energy Sources Act to support the energy transition. Beneficial aspects of biogas such as providing flexible renewable energy and generating additional income for farmers are contrasted by its high costs and negative environmental impacts. Due to reduced subsidies the expansion came almost to a halt in 2014, however, negative environmental impacts of existing plants are still prevalent. The associated downsides include the effects of maize monocultures and additional nutrient pressure from the by-product biogas digestate on the quality of water bodies. The primary regulation to limit nutrient losses to water bodies is the German Fertilization Ordinance (FO), which was revised in 2017 and 2020 imposing considerable stricter nutrient application thresholds such as lower phosphate (P2O5) balance thresholds and a modified accounting for nitrogen (N) from plant-based biogas digestate. Biogas plants and livestock farmers have several strategies to comply with the FO and to mitigate N and P2O5 losses, with selling the excess nutrients on the organic fertilizer market being the most prominent one. This thesis aims to assess the policies at farm and regional level which intend to alleviate the negative environmental impacts of the increased biogas production. The focus in this thesis is on the German state of North Rhine-Westphalia (NRW). The dissertation entails three studies which all differ in methodological approach and assessed policy measures. The first study extends a bio-economic farm model with a biogas plant and evaluates a subsidy which aims at the production of flexible renewable energy and input reduction of existing biogas plants. Thereby, it explores an option to reduce the negative impact associated with biogas production. In the second study a spatial price equilibrium model is developed to depict the organic fertilizer market and applied to selected measures of the revised FO 2017 and 2020. To improve the policy assessment, a bi-level calibration is established, and the results are compared to those of a non-calibrated model which are most common in the literature on organic fertilizer markets. The third study extends and applies an agent-based model with an organic fertilizer market. The inclusion of a meta-model allows a comprehensive assessment of the FO 2017 on organic fertilizer transport for the heterogenous farm population of NRW. <br> Changing the operation mode and reducing the input in biogas plants can be used to produce flexible energy and therefore contributes to the energy transition while lowering the quantity of biogas digestate. However, the remuneration costs for electricity production are even with moderate input reduction extremely high and difficult to justify given that electricity from biogas is the costliest among the renewable energies. The more common compliance strategy, exporting excess biogas digestate or other organic fertilizer, is going to increase in quantity and distance as a consequence of the revised FO 2017 and 2020. Next to the accounting of plant-based biogas digestate in the N application limit, the P2O5 balance threshold leads to an expansion of transports especially for pig fattening farms with high stocking densities. The increase in transport distance and quantity can be observed from counties with a high number of biogas plants and livestock into both adjacent counties and far-off counties within NRW. The associated nutrient flows show that transports can increase N quantities in regions with already high groundwater pollution levels. Policymakers have to consider implementing measures to prevent further deterioration of ground water bodies in those regions.

Ein zentrales Element zur Umsetzung der Energiewende in Deutschland ist das Erneuerbare-Energien-Gesetz, welches den Ausbau von Biogas und anderen erneuerbaren Energien fördert. Den positiven Aspekten von Biogas, wie der Bereitstellung von flexibler erneuerbarer Energie und der Generierung von zusätzlichem Einkommen für Landwirte, stehen die hohen Kosten und negativen Umweltauswirkungen gegenüber. Obwohl reduzierte Subventionen den Ausbau ab 2014 verlangsamt haben, wirken sich bestehende Anlagen noch heute negativ auf die Umwelt aus. Sie führen beispielsweise zum Anbau von Maismonokulturen und zusätzlicher Belastung von Gewässern durch die Nährstoffe aus Biogasgärresten. Die zentrale Regulierung zur Begrenzung der Nährstoffverluste in Grund- und Oberflächengewässern ist die Düngeverordnung (DüV), die 2017 und 2020 überarbeitet wurde und deutlich strengere Grenzwerte für die Nährstoffausbringung vorschreibt, wie z. B. niedrigere Grenzwerte für die Phosphatbilanz (P2O5) und die Anrechnung von Stickstoff (N) aus pflanzlichen Biogasgärresten. Biogasanlagen und Tierhalter haben zahlreiche Strategien, um die DüV einzuhalten und N- und P2O5-Verluste zu mindern. Die Abgabge von überschüssigen organischen Dünger ist dabei eine weit verbreitete Anpassungsstrategie. Diese Dissertation untersucht die politischen Maßnahmen zur Minderung der negativen Umwelatauswirkungen einer verstärkten Biogasproduktion auf betrieblicher und regionaler Ebene, wobei der Schwerpunkt auf dem deutschen Bundesland Nordrhein-Westfalen (NRW) liegt. <br> Die Dissertation umfasst drei Studien, die sich im methodischen Ansatz und den bewerteten politischen Maßnahmen unterscheiden. Die erste Studie erweitert ein bioökonomisches Betriebsmodell um eine Biogasanlage und evaluiert eine Förderung, die auf die Produktion flexibler erneuerbarer Energie und die Inputreduktion bestehender Biogasanlagen abzielt. Damit wird eine Möglichkeit untersucht, die mit der Biogasproduktion verbundenen negativen Umweltauswirkungen zu reduzieren. In der zweiten Studie wird ein räumliches Gleichgewichtsmodell, das den Markt für organische Düngemittel abbildet, erstellt und auf ausgewählte Maßnahmen der überarbeiteten DüV 2017 und 2020 angewendet. Dazu wird ein Bi-Level Kalibrierungsverfahren entwickelt und auf die Nährstofftransportdaten von NRW angewandt. In der Literatur zu organischen Düngermärkten sind bisher unkalibrierte Modelle vorherrschend. Um diese Lücke zu schließen werden im Rahmen der Studie die Vorteile der Kalibrierung aufgezeigt in dem die Kalibrierungsergebnisse und Simulationsergebnisse eines nicht kalibrierten Modells verglichen werden. Die dritte Studie erweitert ein agentenbasiertes Modell um einen organischen Düngermarkt. Die Verwendung eines Metamodells ermöglicht dabei eine umfassende Bewertung der DüV 2017 mit Fokus auf die organische Düngermitteltransporte zwischen landwirtschaftlichen Betrieben in NRW. Die Reduzierung des Inputs in Biogasanlagen kann zur flexiblen Energieerzeugung genutzt werden und trägt damit zur Energiewende bei gleichzeitiger Senkung der Biogasgärrestmenge bei. Allerdings sind die Vergütungskosten für die Stromerzeugung selbst bei moderater Einsatzreduzierung sehr hoch und angesichts der Tatsache, dass Strom aus Biogas der teuerste unter den erneuerbaren Energien ist, schwer zu rechtfertigen. Die gängigere Anpassungsstrategie, die Abgabe von überschüssigen Biogasgärresten oder anderen organischen Düngemitteln, wird als Folge der überarbeiteten DüV 2017 und 2020 in Menge und Entfernung zunehmen. Neben der Anrechnung von pflanzlichen Biogasgärresten auf die N-Ausbringungsgrenze, führt die Limiterung des P2O5-Überschuss insbesondere bei Schweinemastbetrieben mit hohen Besatzdichten zu einer Ausweitung der Transporte. Die Zunahme der Transportmenge ist aus Kreisen mit einer hohen Anzahl an Biogasanlagen und Viehbeständen sowohl in angrenzende Kreise als auch in weit entfernte Kreise innerhalb NRWs zu beobachten. Die dazugehörigen Nährstoffflüsse zeigen, dass die Transporte die N-Mengen in Regionen mit bereits starken Belastungen im Grundwasser erhöhen können. Die Politik muss Maßnahmen in Betracht ziehen, um eine weitere Verschlechterung der Grundwasserkörper durch zusätzliche Nährstoffimporte in diesen Regionen zu verhindern.