Robust and sustainable supply chains: A case study of the German biofuel sector

  • Robuste und nachhaltige Wertschöpfungsnetzwerke: Eine Fallstudie des deutschen Biokraftstoffsektors

Hombach, Laura Elisabeth; Walther, Grit (Thesis advisor); Fröhling, Magnus (Thesis advisor)

Aachen (2017)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Der Transportsektor konsumiert 26% des globalen Energiebedarfes und emittiert 22% des globalen CO2-Ausstoßes, wobei 75% der Emissionen auf den Straßentransport zurückzuführen sind. Um Liefersicherheit sowie vorgegebene Emissionsreduktionen garantieren zu können muss zukünftig der Verbrauch von fossilen Kraftstoffen reduziert werden. Eine Option diese Ziele zu erreichen ist die Substitution fossiler Kraftstoffe durch Biokraftstoffe. Jede fossile Kraftstoffsorte kann durch verschiedene Biokraftstofftypen substituiert werden. Um ökonomisch zulässige und optimale Investmentstrategien erreichen zu können müssen potentielle Investoren heute entscheiden ob und zu welchem Grad Biokraftstoffe fossile Kraftstoffe zukünftig ersetzen sollen. Um zu gewährleisten, dass in Biokraftstoffnetzwerke investiert werden müssen aufgrund der hohen Investitionskosten für Biokraftstoffanlagen profitorientierte Investoren durch politische Regularien gefördert werden. Die Planung von Biokraftstoff-Produktionsnetzwerken kann als strategisches Planungsproblem mit langfristigem Planungshorizont klassifiziert werden, wobei langfristige Planungshorizonte häufig zu hohen Planungsunsicherheiten führen. Die Ursachen für solche Planungsunsicherheiten sind in der unsicheren Entwicklung von Marktbeschaffenheit und Politik begründet. Folglich müssen zur Planung von stabilen Produktionsnetzwerken diese unsicheren Entwicklungsmöglichkeiten bei der Langzeitplanung im Rahmen eines Systems zur Unterstützung der Investmententscheidung berücksichtigt werden. Potentielle Investoren in Biokraftstoffnetzwerke sind in verschiedensten Industrien zu finden (wie bspw. die Erdölindustrie, die Automobilindustrie oder Investoren aus dem Landwirtschaftssektor), jeder individuelle Investor ist dabei durch eine unterschiedliche Risikowahrnehmung und Risikobereitschaft gekennzeichnet. Grundsätzlich kann die Risikobereitschaft eines Entscheiders zwischen den Extrema risiko-neutral und risiko-abgeneigt definiert werden. Daraus folgt, dass die Entscheidung für oder gegen ein Investment von der jeweiligen Risikoeinstellung des individuellen Investors abhängt. Darüber hinaus existieren bestimmte politische Ziele um den Übergang von fossilen zu biologischen Kraftstoffen voran zu treiben. Der Übergang zu Biokraftstoffen beeinflusst alle drei Nachhaltigkeitsziele (ökonomisch, ökologisch und sozial). Um Wechselwirkungen und negative Beeinflussung innerhalb dieser Nachhaltigkeitsziele zu vermeiden (bspw. eine Maßnahme führt zu Reduzierung von Treibhausgasen bei gleichzeitiger Verursachung von Landnutzungsänderung / Konkurrenz zur Nutzung von Ressourcen als Lebensmittel) müssen politische Regularien gefunden werden, die die Konzipierung ganzheitlich nachhaltiger Produktionsnetzwerke gewährleisten. Daher müssen bei der Formulierung von politischen Regularien immer die Wechselwirkungen zwischen diesen drei Nachhaltigkeitszielen berücksichtig werden. Die Planung von Biokraftstoffproduktionsnetzwerken wird im Wesentlichen von zwei verschiedenen Akteuren mit gegensätzlichen Zielen beeinflusst, dem Investor und dem Politiker. Die Akteure stehen in Interaktion miteinander und müssen daher ebenfalls berücksichtigt werden.Vor diesem Hintergrund werden zwei verschiedene Planungsprobleme für Politiker und Investor modelliert. Für den Investor wird ein profitorientiertes Entscheidungsmodell unter Berücksichtigung von Unsicherheiten und unterschiedlicher Risikoeinstellungen entwickelt, welches den Anbau von Biomasse, die Produktion von Biokraftstoffen, den Import von Biokraftstoff und Biomasse, sowie die Mischung von fossilen und biologischen Kraftstoffen berücksichtigt. Für den Politiker wird ein multikriterielles Entscheidungsmodell entwickelt, welches sowohl die drei Nachhaltigkeitsziele als auch Unsicherheiten und unterschiedliche Risikoeinstellungen berücksichtigt. Ziel ist es sowohl robuste Investitionsentscheidungen als auch nachhaltige und robuste politische Regularien für Biokraftstoffe zu finden, um Informationen über das Verhalten des Biokraftstoffsektors und der Interaktion zwischen den beiden Marktakteuren Investor und Politiker zu erhalten. Das übergeordnete Ziel dieser Dissertation ist es für Investor und Politiker je ein Entscheidungsunterstützungsmodell zu konzipieren und die Interaktion zwischen diesen Akteuren zu analysieren.Zusammenfassend wurde ein Entscheidungsunterstützungsmodell zur Konzipierung von robusten und nachhaltigen Biokraftstoffproduktionsnetzwerken entwickelt, welches neben allen relevanten Materialflüssen auch alle von der Europäischen Union beschlossenen politischen Regularien berücksichtigt. Darüber hinaus wurde die Risikoeinstellung der Entscheidungsträger (Politiker oder Investor) mit in das Entscheidungsmodell integriert und der Zielkonflikt zwischen der Risikoeinstellung des Entscheiders und der Leistungsfähigkeit des Produktionsnetzwerkes visualisiert. Zur Konzipierung eines robusten und nachhaltigen Biokraftstoffproduktionsnetzwerkes wurden Ansätze der robusten Optimierung und der multikriteriellen Optimierung kombiniert. Für den Investor wurden zwei unterschiedliche Fallbeispiele (Bundesland Rheinland-Pfalz und Deutschland im Gesamten) analysiert und detailliert ausgewertet. Der Investor erhält hieraus detaillierte Informationen über den Aufbau eines optimalen Biokraftstoff-Produktionsnetzwerkes, wie z.B. die installierte und genutzte Produktionstechnologie, die Menge des produzierten Biokraftstoffs, sowie den Transport unter Berücksichtigung von EU-Regularien. Es wurde herausgefunden, dass die Optimalität des Biokraftstoff-Produktionsnetzwerks sehr sensitiv auf Marktänderungen und Änderungen der politischen Regularien reagiert. Folglich unterstützt das Entscheidungsmodell den Investor bei der Konzipierung eines robusten Produktionsnetzwerkes unter Berücksichtigung seiner individuellen Risikoeinstellung und erlaubt ihm den Einfluss seiner Risikoeinstellung auf die Leistungsfähigkeit des Produktionsnetzwerkes zu verstehen. Für den Entscheidungsträger Politiker wurde Deutschland als Fallbeispiel analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass die existierenden politischen Biokraftstoff-Regularien hinsichtlich der drei Nachhaltigkeitskriterien, Maximierung des Kapitalwerts (ökonomisch), Reduzierung der Treibhausgasemissionen (ökologisch) und Minimierung der Landnutzungsänderung (sozial) nicht effizient sind. Darüber hinaus konnte der Einfluss der politischen Regularien auf die Investitionsentscheidung verdeutlicht werden. Folglich kann das Entscheidungsmodell vom Entscheidungsträger Politiker genutzt werden, um die Auswirkung von Änderungen an politischen Regularien auf die Nachhaltigkeitsziele und die Investitionsentscheidung zu analysieren. Des Weiteren wurde gezeigt, dass die aktuellen politischen Regularien nicht im Stande sind Landnutzungsänderung zu verhindern, wie es von der Europäischen Union gefordert wird und zu weiteren unbeabsichtigten Folgen wie z.B. den Aufbau von Überkapazitäten in Produktionsanlagen führen. Das Entscheidungsmodell erlaubt sowohl die Bewertung von politischen Regularien hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit in Bezug zu den drei Nachhaltigkeitszielen als auch in Bezug auf Marktunsicherheiten und unterschiedlichen Risikoeinstellungen des Investors. So ist sicherzustellen, dass die politischen Regularien auch zu robusten und nachhaltigen Biokraftstoff-Produktionsnetzwerken führen.

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