農業光電系統如何融入日本農村當地產業－案例分析
(圖片非本文所指案例)
擴大再生能源是應對氣候變遷的關鍵途徑。日本政府在其第6基本能源計畫中設定了目標，即在2030年將國家再生能源在電力部門的佔比提高到36%-38%。為實現此一目標，太陽能發電因其成本競爭力和短時間內安裝的優勢，發揮了重要作用。
然而，太陽光電裝置數量的增加在土地利用上引起了電力生產和食品生產之間的競爭。土地限制是日本推廣太陽能的嚴重障礙，而農地因為其較低的場地準備成本和良好的日照時間而備受關注。全球疫情流行與俄烏戰爭導致能源與糧食供應問題，能源和糧食安全成為不可忽視的緊迫問題。1982年，德國弗勞恩霍夫太陽能系統研究所的Goetzberger和Zastrow首次提出農業光電系統的概念，可以幫助解決這兩個問題。農業光電系統結合太陽能光電與農業，除了減少土地競爭，還能提高用水效率並減少高溫干擾。
► AVS案例的問題
儘管農業光電系統（Agrivoltaic Systems, AVSs）透過糧食和電力的共同生產來提高土地利用效率，從而有助於解決土地限制的問題。然而，日本於2013年啟動AVS支援計畫，截至2021年已核准安裝3474個AVS，但也產生了一些不良的AVS案例，導致新的社會問題。這些問題可以分為三類：
1.缺乏安全性
2.農業和能源生產之間的不平衡
3.對當地經濟沒有貢獻
► AVS案例的問題
針對上述問題，研究提出以下改善建議：
1.安全保留：結構應遵守《電力法》與上網電價(FIT)等法規，日本工業標準(JIS)等標準以及來自日本新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)和日本光電能源協會的標準與條件。
2.限制土地利用條件：AVS計畫應滿足「對作物產量的影響小」或「透過有效的土地利用來增加目標區域的作物產量」等上述標準之一。
3.經濟管理條件：AVS應提高農業利潤、維持就業並改善農業企業的可持續性，例如通過農業的六級產業化和引入物聯網技術。此外，AVS應改善目標區域的區域經濟循環，減少區域經濟中財富（附加值）的外流。
表1 日本對廢棄農地的營農型光電(AVS)種植作物的公眾調查
|
分類 |
主要農作物 |
案件數量 |
比率(%) |
作物變更案例數量 |
作物轉作率(%) |
|
大規模作物 |
水稻、小麥、大豆、蕎麥 |
299 |
9 |
48 |
16.1 |
|
蔬菜 |
小松菜、大白菜、大蔥、南瓜等；塊莖類和球莖類蔬菜 |
1163 |
35.1 |
776 |
66.7 |
|
包括AVS的特定作物 |
茗荷、蜂斗菜、土當歸、明日葉、蕨菜、魚腥草、紅葉草 |
560 |
16.9 |
435 |
77.7 |
|
包括茗荷薑 |
茗荷 |
326 |
9.8 |
229 |
70.2 |
|
果樹 |
柑橘類水果、藍莓、柿、葡萄 |
461 |
13.9 |
228 |
49.5 |
|
花朵 |
百合、三色堇 |
13 |
0.4 |
8 |
61.5 |
|
觀賞植物 |
紅淡比、白花八角、草珊瑚、麥門冬 |
994 |
30 |
759 |
76.4 |
|
其他 |
- |
383 |
11.6 |
178 |
46.5 |
|
包括牧場 |
大連黑麥草、高粱、紫雲英 |
104 |
3.1 |
22 |
21.2 |
|
包括蘑菇 |
香菇、木耳 |
155 |
4.7 |
109 |
70.3 |
|
包括茶樹 |
茶樹 |
111 |
3.4 |
37 |
33.3 |
|
合計 |
|
3313 |
100 |
1997 |
- |
(引用自Nakata & Ogata, 2023)
► 符合地區社會的農業光電安裝模型的建立
為了驗證上述解決方案，研究團隊透過三個條件的協作模型在日本農村進行案例研究。這三個條件分別為：
1.AVS應該安裝在災害風險較低的廢棄農田上。
2.所安裝的AVS應為藤架式露天型AVS，且土地佔用率(LAOR)必須限制在35%以下。
3.必須在太陽能板下方的農田上種植有助於糧食生產的農作物（包括飼料作物），並供應給當地產業。
研究團隊透過地理資訊系統(GIS)量化調查、文獻法、訪談法和實地調查法，找出可用的廢棄農地，並排除災害危險區和傳統建築保護區、其他農業區以及安裝AVS成本過高的區域。研究發現，即使在保守的情境下，目標區域京都府伊根町的廢棄農地，設定LAOR為35%，研究區域也可以產生17.8 GWh/年的發電量，仍然實現地區的農業生產並促進經濟成長。
伊根町主要產業為漁業，研究團隊設定大豆作為可以供應給漁業的作物，並且大豆在AVS下種植已有成功案例，而大豆蛋白粉是低魚粉複合飼料（low-fishmeal compound feeds）的原料之一。目前，日本的水產養殖業在複合飼料成分主要依賴進口魚粉（其供應不穩定），為了改善與穩定當地經濟，應穩定地向研究區域的漁業供應AVS大豆。
在研究目標農村地區，廢棄農地的AVS安裝可以減少干擾現有農地農業生產的風險，滿足增加農業生產和就業的土地利用要求，且由於該地區廢棄農地問題日益增加，如果將廢棄農地恢復為生產性用途，並提升農民的盈利能力，地區居民的接受度相對較高。
該研究的限制包括對AVS安裝面積的假設、發電量的估計以及經濟效益的衡量。在條件相對較差、商業可行性較低的地區，可能需要考慮除AVS以外的土地利用。
► 總結
實地調查發現的廢棄農地面積會比公共調查數據還要更多，主要原因是不同部門對廢棄農地定義不同。而以廢棄農地作為AVS安裝區域，仍證明能夠產生足夠電力來滿足該農村地區的電力需求。在此設定條件之前（即非使用廢棄農地與LAOR的高比例），將使發展再生能源的地區產生對糧食生產的負面影響。因此，根據上述所提之三個條件下評估安裝AVS系統，將能為農村地區的糧食、經濟和能源問題提供解決方案。
參考資料：
Nakata, H., Ogata, S. Integrating Agrivoltaic Systems into Local Industries: A Case Study and Economic Analysis of Rural Japan. Agronomy 2023, 13, 513. https://doi.org/10.3390/agronomy13020513