Cyanobakterien sind einzellige, phototrophe Mikroorganismen, die aufgrund ihrer Fähigkeit, Sonnenenergie und Kohlenstoffdioxid für das Zellwachstum zu nutzen, ideale Modellorganismen für ein besseres Verständnis des phototrophen Stoffwechsels darstellen. Sie werden auch zunehmend als potenzieller Wirtsorganismus für die Synthese von wertvollen Chemikalien und verschiedenen Biokraftstoffen wahrgenommen. Um diese Vorteile in vollem Umfang zu nutzen, bietet die genomskalige Rekonstruktion von Mikroorganismen ein weitgehendes Verständnis über die metabolischen Umwandlungen, die während des phototrophen Wachstums stattfinden. In dieser Arbeit wurden detaillierte Rekonstruktionen des metabolischen Netzwerkes der Cyanobakterien Synechocystis sp. PCC 6803 (Synechocystis) und Synechococcus elongatus PCC 7942 erstellt und analysiert. Darüber hinaus wurden beim Netzwerk von Synechocystis unklare Reaktionsschritte experimentell validiert und die funktionellen Konsequenzen von abweichenden Stoffwechseltopologien untersucht. Dabei umfasst das Modell neuartige Ergebnisse in Bezug auf den cyanobakteriellen TCA-Zyklus, einen angeblich vorhandenen Glyoxylatzyklus und die Rolle der Photorespiration beim Zellwachstum, die mithilfe der Flussbilanzanalyse (FBA) systematisch auch in Bezug auf den täglichen Hell-Dunkel-Zyklus des cyanobakteriellen Stoffwechsels gewonnen wurden. Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit liegt im Zugewinn des allgemeinen Verständnisses über die genomische Diversität innerhalb unterschiedlicher Cyanobakterienstämme und speziell innerhalb des cyanobakteriellen Stoffwechsels. Dazu wurden die Genome mehrerer phototropher Cyanobaktierenstämme untereinander verglichen und besonders Unterschiede und Gemeinsamkeiten auf Ebene des Stoffwechsels hervorgehoben. Zum Abschluss dieser Arbeit wurde unter Zuhilfenahme der FBA die Synthese von neun unterschiedlichen Biokraftstoffen im metabolischen Netzwerk von Synechocystis, analysiert. / Cyanobacteria are unicellular, phototrophic microorganisms. Owing to their capability to utilize solar energy and atmospheric carbon dioxide for growth, they represent ideal model organisms to better understand phototrophic metabolism. Moreover they are gaining increasing attention as a potential host organism for the synthesis of valuable chemicals and various biofuels. To fully harness this potential of cyanobacteria necessitates an in-depth understanding of the metabolic interconversions that take place during phototrophic growth, such as that provided by genome-scale reconstructions of microbial organisms. In this work, detailed metabolic network of two cyanobacteria, Synechocystis sp. PCC 6803 (Synechocystis) and Synechococcus elongatus PCC 7942, were reconstructed and analyzed. In addition uncertain reaction steps in the network of Synechocystis were experimentally validated and the functional consequences of aberrant metabolic topologies were examined. The model integrates novel results regarding the cyanobacterial TCA cycle, an alleged glyoxylate shunt, and the role of photorespiration in cellular growth, which were systematically obtained studying the diurnal light/dark cycles of cyanobacterial metabolism using flux balance analysis (FBA). Another aspect of this work focuses on gaining general understanding of the genomic diversity within different cyanobacterial species and specifically within cyanobacterial metabolism. For this purpose, the genomes of several phototrophic cyanobacterial strains were compared and in particular differences and similarities at the level of metabolism were highlighted. In conclusion I reflected on the biotechnological relevance of metabolic network reconstruction by analyzing the synthesis of nine different biofuels in the metabolic network of Synechocystis using FBA.

Biofuels are a renewable alternative for reducing the climate impact of transport. Due to the versatility of biomass and complexity of economics and impacts, biofuels are part of a complex system, which is here analysed from a systems perspective. Several models are developed in order to assess the competitiveness of various crop based biofuel options as part of a system, using different economic and environmental functional units. The scope is set to Germany until 2050. The capital and feedstock costs were revised to higher levels compared to common assumptions. The different functional units result in different merit orders for the biofuel options. Currently used biofuels, rape seed based biodiesel and starch crop based bioethanol, were found not to be competitive when considering differentiated and increasing feedstock costs. Advanced liquid fuels were only competitive at extreme assumptions, contrary to common expectations. Instead, sugar beet based ethanol dominated for most of the time span when comparing energetic cost, whereas Synthetic Natural Gas (SNG) was competitive on a greenhouse gas abatement (GHG) cost basis, especially at a rapid decarbonisation of the power mix. With a land use GHG abatement functional unit, silage maize based biomethane was the best, with SNG converging only at very high renewables shares of the background systems. Switching from current practise to higher yielding biofuel options can treble the abatement per land area for the present day, and potentially increase it by a factor five in the future. A focus on GHG abatement per area of arable land results in the land passenger transport sector to be of the highest priority due to the suitability of higher yielding biofuel options, followed by land goods transport, shipping and finally aviation. If gaseous fuels are not possible to introduce on a large scale, sectors where liquefied gaseous fuels are suitable become the priority, i.e. goods transport and shipping. The current practise of applying admixture quotas to sub-sectors of land transport renders a significantly lower climate benefit compared to an overall optimal usage, and a large societal transition is required before aviation biofuels become the climate optimal biomass usage. The direct importance of land use has thus far not received enough attention in terms of the economics of biofuels from dedicated crops, as well as for the greenhouse gas emissions policy. Biofuels produced from arable land can provide a strong GHG benefit if an expansion of arable land is hindered through redirecting land use, which requires a holistic policy approach.:Abstract ix Acknowledgments xi List of Publications xiii List of Acronyms xv I Introductory chapters 1 1 Background 3 1.1 Biofuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2 Technological Change and Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.3 Aim and objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 Methodology 9 2.1 Systems modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2 Model description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3 Results and discussion 17 3.1 Biofuel techno-economic potential and competitiveness . . . . . . . . . . . . 17 3.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2.1 Resource base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2.2 Biomass climate benefit in other sectors . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.2.3 Other renewable fuel options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2.5 Applicability of results to other regions . . . . . . . . . . . . . . . . 22 4 Conclusions 25 4.1 Future research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Bibliography 29 Contribution to Appended Papers 33 Curriculum Vitae 35 CONTENTS II Appended papers 37 1 Competitiveness of advanced and conventional biofuels: Results from least-cost modelling of biofuel competition in Germany 39 2 Biomass price developments inhibit biofuel investments and research in Germany: The crucial future role of high yields 51 3 Relative greenhouse gas abatement cost competitiveness of biofuels in Germany 63 4 Climate optimal deployment of biofuels from crops in Germany 85 / Biokraftstoffe sind eine erneuerbare Alternative zur Verringerung der Klimaauswirkungen des Verkehrs. Aufgrund der Vielseitigkeit der Biomasse und der Komplexität der Ökonomie und der Auswirkungen sind Biokraftstoffe Teil eines komplexen Systems, das hier aus einer Systemperspektive analysiert wird. Es werden mehrere Modelle entwickelt, um die Wettbewerbsfähigkeit verschiedener biogener Biokraftstoffoptionen als Teil eines Systems unter Verwendung verschiedener wirtschaftlicher und ökologischer Funktionseinheiten zu bewerten. Der Umfang ist auf Deutschland bis 2050 festgelegt. Die Kapital- und Rohstoffkosten wurden im Vergleich zu herkömmlichen Annahmen auf ein höheres Niveau angepasst. Die verschiedenen Funktionseinheiten führen zu unterschiedlichen Merit Order für die Biokraftstoffoptionen. Die derzeit verwendeten Biokraftstoffe, Raps-Saatgut-Biodiesel und Stärkepflanzen-Bioethanol, erwiesen sich als nicht wettbewerbsfähig, wenn man differenzierte und steigende Rohstoffkosten in Betracht zieht. Fortschrittliche flüssige Kraftstoffe waren nur unter extremen Annahmen wettbewerbsfähig, entgegen den üblichen Erwartungen. Stattdessen dominierte Ethanol auf Zuckerrübenbasis für einen Großteil der Zeitspanne beim Vergleich der Energiekosten, während synthetisches Erdgas (SNG) auf der Basis der Treibhausgasvermeidungskosten wettbewerbsfähig war, insbesondere bei einer schnellen Dekarbonisierung des Strommixes. Mit einer Funktionseinheit zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen war Silagemais-basiertes Biomethan die beste Option, wobei SNG bei sehr hohen Anteilen an erneuerbaren Energien der Hintergrundsysteme konvergierte. Der Wechsel von der derzeitigen Praxis zu ertragreicheren Biokraftstoffoptionen kann die Verringerung pro Landfläche für die Gegenwart verdreifachen und in Zukunft möglicherweise um den Faktor fünf erhöhen. Die Fokussierung auf die Reduzierung von Treibhausgasen pro Ackerfläche führt dazu, dass der Landpersonenverkehr aufgrund der Eignung ertragreicherer Biokraftstoffoptionen, gefolgt von Landverkehr, Schifffahrt und schließlich Luftfahrt, höchste Priorität genießt. Wenn es nicht möglich ist, gasförmige Kraftstoffe in großem Maßstab einzuführen, werden Sektoren, in denen verflüssigte gasförmige Kraftstoffe geeignet sind, zur Priorität, d.h. Güterverkehr und Schifffahrt. Die aktuelle Praxis der Anwendung von Beimischungsquoten für Teilbereiche des Landverkehrs führt zu einem deutlich geringeren Klimanutzen im Vergleich zu einer insgesamt optimalen Nutzung, und es ist ein großer gesellschaftlicher Wandel erforderlich, bevor Biokraftstoffe aus der Luftfahrt zur klimaoptimalen Biomassenutzung werden. Die direkte Bedeutung der Landnutzung hat bisher nicht genügend Beachtung gefunden, sowohl in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit von Biokraftstoffen aus Sonderkulturen als auch in Bezug auf die Treibhausgasemissionen. Biokraftstoffe, die von Anbaubiomasse hergestellt werden, können einen starken Treibhausgasvorteil bieten, wenn eine Ausweitung der Ackerfläche durch eine Neuausrichtung der Landnutzung behindert wird, was einen ganzheitlichen politischen Ansatz erfordert.:Abstract ix Acknowledgments xi List of Publications xiii List of Acronyms xv I Introductory chapters 1 1 Background 3 1.1 Biofuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2 Technological Change and Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.3 Aim and objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 Methodology 9 2.1 Systems modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2 Model description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3 Results and discussion 17 3.1 Biofuel techno-economic potential and competitiveness . . . . . . . . . . . . 17 3.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2.1 Resource base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2.2 Biomass climate benefit in other sectors . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.2.3 Other renewable fuel options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.2.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2.5 Applicability of results to other regions . . . . . . . . . . . . . . . . 22 4 Conclusions 25 4.1 Future research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Bibliography 29 Contribution to Appended Papers 33 Curriculum Vitae 35 CONTENTS II Appended papers 37 1 Competitiveness of advanced and conventional biofuels: Results from least-cost modelling of biofuel competition in Germany 39 2 Biomass price developments inhibit biofuel investments and research in Germany: The crucial future role of high yields 51 3 Relative greenhouse gas abatement cost competitiveness of biofuels in Germany 63 4 Climate optimal deployment of biofuels from crops in Germany 85

Die vorliegende Dissertation beinhaltet eine detaillierte Analyse traditioneller und moderner Bioenergie, sowie deren möglicher Entwicklungspfade und Auswirkung auf Ernährungssicherheit im ländlichen Tansania. Die Arbeit bereichert die wissenschaftlichen Debatten mittels Aufzeigen von Optionen der nachhaltigen Produktion und Verbrauch von Bioenergie. Der Komplex wird in vier separaten und begutachteten Fachartikeln (drei publiziert, einer under review) bearbeitet. Alle Publikationen erzielen Aussagen für vier Einkommensgruppen auf lokaler Ebene. Für eine optimale Analyse ist die Arbeit thematisch in die Forschungsgebiete traditionelle und moderne Bioenergie unterteilt, die sich auch in den Kapiteln bzgl. des aktuellen Forschungsstandes sowie der Abfolge der Fachartikel widerspiegeln. Die erste Publikation beschäftigt sich mit traditionellem Bioenergiekonsum und der postulierten Einführung eines feuerholz-spezifischen, energetisch optimierten Kochers in dem Hauptuntersuchungsdorf Laela. Die Effekte einer Einführung von technologisch optimierten Holzkohlemeilern werden in der zweiten Publikation widergegeben. Nach diesem Fokus auf traditionelle Bioenergie analysiert der dritte Artikel die Effekte auf Nahrungsmittelsicherheit, die sich aus der angenommenen Verstromung von Pflanzenölen ergeben. Der vierte Artikel analysiert die Möglichkeiten einer erhöhten Palmölproduktion und leitet Ergebnisse für die tansanische Region Kigoma ab. Eine finale Empfehlung dieser Dissertation ist, dass die Verbreitung und Nutzung von verbesserten Kochern stark erhöht werden muss. Gleichzeitig sollten politischen Maßnahmen ergriffen werden, die Zugang und Verfügbarkeit von verlässlicher, erschwinglicher und nachhaltiger traditioneller wie moderner Bioenergie garantieren. Zudem muss die Etablierung einer effizienteren wie nachhaltigeren Holzkohle-Wertschöpfungskette vorangetrieben werden. Pflanzenölbasierte Elektrizitätsproduktion dagegen wirkt sich negativ auf die Ernährungssicherheit aus. / This PhD thesis provides a detailed analysis of the traditional and modern bioenergy situation as well as their development pathways and their respective influence on food security in case study villages in rural Tanzania. It adds to the current literature as it provides a profound understanding of how to enhance and sustain bioenergy production and consumption in terms of resource capacity and overall sustainability. For this, it comprises four peer-reviewed papers (3 published, one under review). All papers derive results for four income groups at local level. For an optimized analysis, the dissertation is thematically subdivided into the research areas of traditional and modern bioenergy which is displayed in the state of art research sections as well as the clustering of the papers. The first paper focuses on traditional bioenergy consumption and the potential introduction of a firewood-efficient stove in the major case-study village Laela. The effects of the introduction of more efficient kiln technology on resource consumption in the same village are mirrored in the second publication. After this focus on traditional bioenergy, the third paper investigates food security effects resulting out of the assumed use of vegetable oil for electrification purposes. The fourth paper analyses options for increased palm oil production and derives results for the Tanzanian region of Kigoma. The final recommendation of the thesis is that the prevalence and use of improved stoves needs to be increased substantially. Simultaneously, policy measures that foster the access to and availability of reliable, affordable and sustainable traditional as well as modern energy should be implemented. Furthermore, the establishment of a more efficient and sustainable charcoal value chain needs to be promoted. Vegetable oil based electrification, however, does not contribute towards food security.

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Agriculture causes large parts of global Greenhouse gas emissions (GHGE), with livestock contributing the greatest share. Livestock-based foods are thus associated to higher GHGE than plant-based foods. Additionally, they are harmful to health when consumed in excess. The focus of this work lies on determining the potential to reduce agricultural GHGE when healthy diets and lower meat intakes were adopted in the EU. lt is also examined how much feed crops and pastures would become available for the production of biofuels. An emission tax and an emission trading system are also examined. To assess the complex interactions in the agricultural sector, a modified version of the European Forest and Agricultural Sector Optimization Model (EUFASOM) is used. The results show that a halved meat intake could reduce agricultural GHGE by a quarter and biofuel production could increase eightfold. The political instruments lack effectiveness though. The GHG tax has a low impact on nutrition and roughly 50% emission leakage. Emission trading has only a moderate effect on nutrition and over 100% emission leakage.:1 Introduction 2 Goal and scope definition 3 Methodology 3.1 Overview 3.2 Spatial resolution 3.3 Products under consideration 3.4 Base data 3.4.1 Base quantities 3.4.2 Base prices 3.4.3 Base areas 3.4.4 Demand elasticities 3.5 Production processes 3.5.1 Crop production 3.5.2 Pasture production 3.5.3 Plant oil production 3.5.4 Biofuel production 3.5.5 Sugar production 3.5.6 Livestock production 3.6 EUFASOM – Theoretical foundation 3.7 EUFASOM – Demand and supply functions 3.8 EUFASOM – Model description 3.8.1 Objective function 3.8.2 Identity and convexity constraints 3.8.3 Product balance 3.8.4 Land use restrictions 3.8.5 Nitrogen balance 3.8.6 Further accounting equations 3.9 Calibration 3.10 Integration of scenarios 4 Scenarios and results 4.1 Scenario 1: Technical potential of healthy diets 4.1.1 What are healthy diets? 4.1.2 Implementation of healthy diets 4.1.3 Scenario 1.1: Healthy diets with constant calorie intake 4.1.4 Scenario 1.2: Healthy diets with restricted calorie intake 4.1.5 Scenario 1.3: Healthy diets with restricted ruminant meat intake 4.1.6 Discussion on the potentials of healthy diets 4.2 Scenario 2: Greenhouse gas emission taxes 4.3 Scenario 3: Redistribution of emissions taxes as biofuel subsidy 4.4 Scenario 4: Emissions trading scheme for agriculture 4.4.1 Scenario 4.1: GHGE-cap on agricultural production 4.4.2 Scenario 4.2: Combined GHGE-cap on agricultural production and net-imports 4.4.3 Scenario 4.3: GHGE-cap on agricultural production and generation of allowances through producing biofuels 4.4.4 Scenario 4.4: GHGE-cap on agricultural production and imports and generation of allowances through producing biofuels 4.4.5 Discussion on ETS 5 Summary and conclusion References List of Figures List of Tables List of Abbreviations Annex 1 Base Solution Annex 2 Process parameters and associated information Annex 3 Lists of model variables, process parameters, equations and sets Annex 4 Demand elasticities Annex 5 Derivation of specific energy and protein demand of livestock Annex 6 Further assumptions for the livestock sectors