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