根據日本農林水產省2020年的統計,申請件數最多的為2018年新增的營農型光電,共481件、共146.9公頃,至2021年3月止累計約2,000件(約560公頃)、發電約28萬KW。但從面積來看,2016年的面積最大,因此推測當年度有超大型營農型光電案場取得許可。2017年申請案件及面積減少可能因受到日本修訂FIT制度,而導致FIT認定程序混亂,讓有些案件拖至2018年才由經產省認定。但總體而言,日本營農型光電仍呈現整上長趨勢。以許可的件數來說,2018年前所有營農型光電案場的允許期限最長只能有3年,因此可以發現8成以上的光電案場都傾向延長3年的一時轉用許可,以持續進行營農型光電。
自2011年以來,日本的轉用型光電共57,210例、共9,964公頃,營農型光電共1992例,合計560公頃,可以發現轉用型光電案場(農地變更)件數及面積都遠高於營農型光電案場。其中2014年農地轉用做光電使用的數量最高,是因為日本2012年實行FIT制度以來,整體光電發展於2014年衝刺到至高點,這個現象在農地變更光電使用上亦可顯現。對於農地轉用為光電使用的現象,2020年底日本內閣府有展開相關的討論,除了將營農型光電許可延至10年、放寬荒廢地8成收成的規定,最重要的是他們會以農村整體規劃重新審視農地與再生能源的設置,以減少不必要的農地變更。
一、日本營農型光電類型
目前日本營農光電設施大概有兩種主流類型,第一類最常見為立柱型光電(網柵式),支柱以輕便單管為主,立柱下最常見的工法為螺旋樁,近年因地震颱風的關係,亦有廠商在地下埋入橫管強化結構。光電板的設計為斜面、細長為主,兼顧太陽能的利用及作物透光。這種光電類型電板鋪排彈性高,可針對各種作物需求搭配調整立柱間距、高度及光電板間距,建置成本也較低,因此目前在日本應用最普及。
第二類型為追日型光電設備,目前已開發有兩軸、三軸及不同轉動維度的光電板設計。這種光電板初期建置成本高,根據NEDO評估,追日型光電的初期投資比立柱型光電的出齊投資約貴上1.2倍,但追日型光電的發電效益高、營運管理成本也較低且不易受到災害影響的特性,近年來已成為日本營農型光電廠商力推的設備。根據NEDO的評估,三維追日式:水平追日式:一般光電板發電量=1.6:1.3:1。
二、日本營農型光電作物選擇
根據日本農林水產省及眾多營農型光電案場的實務經驗,光飽和點是作物結合光電最重要的關鍵。例如番茄的光飽和點高、需要較多光照,鋪設光電板時就必須留有更大的間距保持低遮光率;葉菜類如萵苣的光飽和點低、遮光率則可提高,非常適合生長於光電板之下。因此只要有心,任何作物都可以在光電板下快樂生長,且可以達到8成的收成。
依據農林水產省於2018年針對現行營農型案場的調查,最多案場以種植蔬菜為主、其次為觀賞用植物,根據日本環境能源政策研究所(ISEP),榊、樒為日本祭典時用的植物,過去為供需平衡狀態,但因營農型光電出現後農民或業者的選擇而造成過度種植、市場失衡的狀況。
植物隨日照強度增加,光合作用的速率逐漸增加,到達某個光照強度之後,光合作用的速率就不再增加,如同海綿吸滿了水達到飽和狀態,更多日照不會繼續加速作物的成長,此稱為「光飽和點」。
以下是日本Solar Sharing Network關於營農光電的作物選擇建議:
- 光飽和點「高」:如玉米、西瓜、蕃茄與里芋的光飽和點都在80KLX,生長階段都需要充足日照,因此遮光率需控制在30%以下。其中里芋除了需要充足日照,更需要足夠濕度與土壤溫度,因此非常適合與光電結合。
- 光飽和點「普」:如小黃瓜、南瓜、蠶豆、藍莓、高麗菜、蘿蔔、花生、水稻、葡萄與地瓜的光飽和點在55-40KLX,建議遮光率皆為30%,最佳結合方式則依土地條件與作物需求調整。其中,夏季作物小黃瓜生長期短需水量大,光電板提高土壤濕度有助其生長;南瓜對土壤條件需求不高,產量幾乎不受影響。
- 光飽和點「低」:如萵苣、青椒、青蔥與薑等作物的光飽和點較低(25KLX),但建議遮光率仍以30%為佳。喜歡在暗室生長的香菇,則非常適合與光電結合。
三、日本營農光電案例
日本的營農型光電自2013年開始,已經累積八年的實務經驗。因此可以發現除了個體戶的小型案場外,還有更多具農村或農務色彩的理念型能源公司,以規模性管理營農型光電案場,且這些經驗的理念都是希望藉由營農型光電,來活化廢耕農地和老化的農村。以下分享的三個案例可以看出不同案例的發展脈絡和經驗,皆可為臺灣想要發展營農型光電模式的參考。
首先,說到日本銘茶就會想到抹茶,自明治時期靜岡縣的中西部,島田市、牧之原市及菊川市就成為日本重要產區之一。近年來,日本國內因茶飲的消費習慣改變,使用茶葉沖泡的需求量減少,改為引用保特瓶裝的加工茶需求增加,使靜岡茶農放棄耕作的情形增加。因疏於管理,廢耕茶園或樹齡超過30年的老茶園增加,造成茶葉品質、收成量減低,因此農林水產省在2011年後,開始茶葉新植的補助,開始鼓勵茶農重新種植茶樹及整頓茶園,以維持茶園的高品質。
因抹茶使用的てん茶需在採收前需3週至一個月的遮光期,幾個在地的茶葉公司、個體茶農戶開始結合遮光棚架與光電板的設計實行營農型光電,自2015年後靜岡縣逐漸有更多個小型的茶葉營農型光電案場,以「茶+光電」的形式提高茶葉的獲利並增加了光電的收益。統計至2019年12月底,靜岡縣共322 件、38公頃的營農型光電案場。
第二個案例是千葉市民能源公司於2014年,以公民電廠形式發起的第一個營農型光電案場,以種植大豆為主。這個案場後來漸漸規模性的在當地成長,最特別的是千葉市民能源公司理念是利益共享,因此在災害發生時,這邊就成為了附近居民的緊急充電站。負責人指出,該公司採用最新式細長型、雙面的光電板,能接收早晚日照或者水田的反光,提高發電效率,特別適合與營農結合。
最後一個案例為千葉eco能源公司(千葉エコ・エネルギー株式会社)設置的案場,除務農及發電營利外,也結合教學及試驗。因為千葉縣農村老化、許多農地已無人耕作,因此千葉eco能源公司致力於活用廢耕地,除了創造光電與作物的雙贏外,還支持了許多青農入行!
案場使用立柱型光電設施,透光率高的特性可提供各種作物都在底下生長。多年經驗顯示,立柱型光電不可避免會有電板完全遮陰之處,且逢降雨時光電板下的土地難以乾燥,不過,這些問題都可透過試驗、種植不同作物或調整光電板的鋪排來排解。
四、日本營農型光電的問題與挑戰
在日本宣布2050碳中和後,各個地方政府在農林水產省農村再生能源發展的脈絡下,加上日本環境省的零碳發展由地方做起之規劃,讓營農型光電在無論是民間或在內閣府層級的專家會議仍持續討論及制度滾動檢討改善。
根據日本農林水產省2018年統計,營農光電案場中有11%的經營者(208件)指出在設置光電初期會遭遇一些問題,讓營農活動受到影響,主要有兩類:(一)6%的經營者(111件)提出作物的收入減少,因為初期耕作習慣需改變而導致的作物產量或品質有落差,或災害事件營農不易而導致作物無法達到8成的收入。但目前為止,並無案場因為收入無法達標而被停止許可。(二)2%的經營者(37件)提出因為光電板設置工程時間延宕,造成營農無法順利進行。
此外,根據日本環境能源研究所(ISEP)的整理及日本內閣府的討論,目前營農型光電的制度及普及程度還需要更多政策上的支持,以及尚待解決的挑戰。因日本農村老化的現象,許多老農夫或鄉下地區的農夫對於外來廠商或新的科技是比較不能夠接受的,ISEP指出需要更多如千葉縣的馬上丈司先生這樣的地方頭人持續推動,或藉由更多元成功案場的展示,才能持續推行。
在2020年內閣府第二次再生能源等相關規範的檢討工作小組會議(第二回再生可能エネルギー等に関する規制等の総点検タスクフォース)上,日本全國地方能源協會(全国ご当地エネルギー協会)指出,日本營農型光電許可制度的不友善,如許可年限的設定與FIT的認定不一致,導致許多廠商或民眾不願意申請營農型光電。且收成必須維持8成的要求,會使想要活化廢耕地的農電共生美意打折。目前內閣府持續以定期工作小組會議的討論,與農林水產省及相關專家商討改善策略,期望可活化更多廢耕農地、同時創造地方的能源自主。
最後,日本也是一個多災之國,颱風與地震事件都可能造成光電板的震落倒塌,碎玻璃一旦摔入農田,清理工作相當困難。目前日本廠商不斷的研發強化結構的方法,例如針對立柱型光電支架,會在光電板底下以X型支架強化橫向結構,或加強、加長螺旋樁的深度以抗倒塌。現行廠商力推的獨立追日型光電設施,在強風期間可以調整光電板軸向,或可作為解決災害事件的一方案。