現場管理技術
植物工場のLED、明るいほど得とは限らない｜PPFDの止めどころは電気代しだい
「うちのレタスには、結局いくつ当てればいいのか」。PPFDをめぐる問いは、たいていこの形で立てられます。けれど、正しい数字が一つあるという前提こそ、見直してみる価値があります。光を強くするほど、かけた電気が野菜の重さに変わる割合は、静かに落ちていきます。だから「いくつ当てればいいか」は、作物の都合ではなく、そのときの電気代しだいで決まる。最適なPPFDは、作物の側ではなく電気代の側にあるからです。
「PPFDは高いほど良い」が月末にひっくり返る理由
去年あたり、ラックの一段を思いきって明るくした、という経験はないでしょうか。レタス中心の水耕で、それまでたとえば200ちょっと（μmol/m²/s）で回していた光を、攻めるつもりで300近くまで振ってみる。収穫量は増えます。重さも見た目もよくなる。「やっぱり明るくして正解だった」と思える――月末に電気代の伝票を見るまでは。あれっ、となります。光を1.5倍にしたのに、収量は1.5倍までいっていない。増えた売上から増えた電気代を引くと、手元に残るのはむしろ前より薄い。そんな月が出てきます。私自身、人工光型のレタス水耕を見てきた範囲では、強めに振って手取りがかえって薄くなる、という場面を何度も見てきました。
しかも、毎月そうとは限らないのが厄介です。電気が安い時期はその強めのままで十分プラスに見えるのに、単価が上がってくると同じ設定が急に重くなる。同じ棚・同じ品種・同じ光なのに、月によって「これは正解」「これはやりすぎ」が入れ替わる。この引っかかりに、本質がそのまま出ています。
まず、光と収量の関係は比例ではありません。弱いところから上げ始めると最初はぐんぐん伸びますが、上げれば上げるほど、さらに100明るくして増える分はだんだん減っていく。葉物だと、ある明るさを超えたあたりから、足した光が収量に変わる効率が落ちていきます。だから200を300にしても、光は1.5倍でも収量はそこまで来ない。設定ミスではなく、そういう曲線で、当たり前に起きることです。あるレタスの制御実験では、PPFDを200・400・750と上げたとき、光1molあたりの生鮮重が29・27・21gと落ちていきました（参考: 1）。収量の絶対値は750まで増え続けます。けれど、同じ1molの光が野菜に化ける効率は、明るくするほど下がる。
一方の電気代は、光をほぼまっすぐ追いかけて増えます。100増やせば、だいたいその分まるごと乗る。つまり、増える売上は「だんだん鈍る」、増える電気代は「まっすぐ伸びる」。この二つを重ねると、どこかで「次の100ワットで増える売上」と「次の100ワットでかかる電気代」がちょうど釣り合う点が出てきます。そこが止めどころです。手前ならまだ足したほうが得、その先は足すほど手元が薄くなる。
条件によっては、ある明るさの帯から先は収量そのものの伸びも止まります。あるレタスとバジルの実験では、250μmol前後までは光を足すと生育が伸びましたが、それを超えると上乗せが見えなくなりました（参考: 2）。その帯から先の光は、収量にはほとんど効かないのに、電気代だけはまるごとかかる。ただし、この頭打ちが現れる位置そのものも、CO2濃度や温度しだいで前後します。CO2を十分に与えれば、頭打ちはもっと奥にずれる。ですから絶対値の「250」を覚えるのではなく、自施設で頭打ちがどこに来るかを見るのが筋です。止めどころが現実の数字として存在すること自体は、変わりません。
そして核心は、その釣り合う点が、電力単価の動きで横にずれることです。電気が高い月は「次の電気代」の線が急になるので、釣り合う点が手前に寄る。だから前は正解だった300が、急にやりすぎに見える。安い月は線がゆるいので、同じ300がちゃんとプラスに見えます。棚も品種も光も何ひとつ変えていないのに評価がひっくり返るのは、触っていない「単価」のほうが動いているからです。最適なPPFDを一個の数字で覚えようとすると、必ずどこかの月で外れる。覚えるべきは数字ではなく、「単価が上がったら止めどころは手前、下がったら奥」という動き方のほうです。
ただし、その単価の話に進む前に、一つだけ確かめておくことがあります。光を足しても収量が鈍るとき、その原因がほんとうに光の側にあるのか、です。足した光が効かないのは、CO2や気流、温度が先に律速になっているからかもしれない。CO2を足してみて頭打ちが奥へ動くなら、引くべきは光ではなくCO2のほうです。気流が足りずに葉の周りでガス交換が詰まっているなら、まず風を当てる。律速が光側にあると確かめてから、はじめて単価で光を引く・足すという話に進む。順番が逆だと、ほんとうの原因を残したまま光だけを削ってしまうことになります。
単価が上がったらどれだけ光を引けばいいか
電気が1割上がったら、PPFDも1割下げればだいたい釣り合うのでしょうか。それとも引き具合はもっと小さくていいのか、大きくすべきなのか。そういう一律の目安があれば、と思うところです。
結論から言えば、その一律の目安は作れません。作って覚えても、たいてい外れます。引くべき量が、自分が今いる場所によって大きく変わるからです。ここでいう「場所」とは、いまの明るさからもう一段だけ光を足したとき、収量がぐっと増えるのか、ほとんど増えないのか――前章の「上げるほど効きが鈍る曲線」の、どのあたりにいるか、ということです。
仮に今、わりと強めに振っていて、光を足してもほとんど収量が伸びない――曲線が寝てきたあたりにいるとします。この場合、単価が少し上がっただけでも、止めどころは大きく手前へ動きます。その辺りの光は「電気代はまるごとかかるのに、見返りはほんの少し」しか生んでいない。単価が重くなった瞬間に、真っ先に切られる光だからです。ここにいるなら、1割の値上げでもかなり大きめに引いてかまいません。
逆に、まだ控えめで、光を足せばきちんと収量がついてくる立ち上がりにいる場合はどうか。この領域の光は一段一段がよく効いているので、単価が1割上がったくらいでは止めどころはあまり動きません。むしろ慌てて引くと、よく効いていた光まで捨てることになる。ここにいるなら、あまり引かないほうがいい。同じ「1割の値上げ」でも、前者は大きく引き、後者はほとんど引かない。それくらいの差が出ます。
だから、％の早見表を探すより先に、やるべきことが一つあります。自分の施設で光を一段だけ変えてみて、収量がどれだけ動くかを一度きちんと測ること。それが分かれば、「自分は寝ている側にいるのか、立ち上がりにいるのか」が見えてきます。どう動かすかは、そのあとで自然に決まります。
測り方は難しく考えなくていい。ひと棚ぶんで、PPFDを一段だけ上げて（あるいは下げて）、増えた収量に売値を掛けた増収と、増えた電力に単価を掛けた増コストを並べるだけです。増収が増コストを下回ったら、その一段は行きすぎなので戻す。これを単価が動くたびに一度回せば、自施設の止めどころが、その月の単位面積あたりの数字として見えてきます。
ただし、ここで一つ正直に補っておきます。増えた収量に、ちゃんと値がつくかどうかは、また別の問題です。契約で単価が決まっていて、増えたぶんが安値に回るか、あるいは規格を外れて廃棄になるなら、その増収はゼロと置く。チップバーンが一枚出て株ごと規格落ちするような場面では、収量が増えても手取りには乗りません。そうすると止めどころは、計算上の点よりもぐっと手前に来ます。「増えた重さ」ではなく「増えて、かつ売れた重さ」で測る。ここを取り違えると、伝票の上では合っているのに手取りが薄い、という例のすれ違いがまた起きます。
それと、単価は月で動くだけでなく、一日の中でも動きます。夜間の電力が安いなら、同じ一日の総光量（DLI）を、その安い時間帯に寄せて配る。これは年契約で月の単価が動かない現場でも、契約に関係なく毎日使える、いちばん実践的な「単価で配り方を決める」形です。ここで動かすのは点灯の時間帯と配り方であって、明暗の比率そのものではありません（後で触れる体内時計の話と衝突しないよう、明暗のリズムは安定させたまま、安い時間に寄せる、と分けて考えてください）。
この「単価に合わせて引き直す」が机上の話でないことも、報告に出ています。電気の値段が頻繁に動くのに合わせて日々の光の強さのパターンを動かしたところ、バジル・パクチョイ・ルッコラ・ホウレンソウの市場重量を落とさないまま、照明の電気代を1割ほど削れると試算され、市場重量のほうは実際の栽培実験で落ちないことが確かめられています（参考: 3）。削減幅そのものはモデルの試算で、収量を落とさない点は別の栽培実験で示された、という組み合わせです。収量を犠牲にせず、電気代だけを単価に追従させて動かせる――止めどころを固定せずに引き直す価値は、モデル試算と栽培実験の両面から示されています。
強さだけでなく「配り方」というもう一本の軸
ここまでは「PPFDをいくつにするか」、光の強さという一軸で考えてきました。けれど実際には、同じ一日の総光量を、強く短く当てるか、弱く長く当てるか――「配り方」の選択もあります。点灯時間まで含めると、止めどころの探し方も変わってきます。
同じ一日の総光量（DLI）でも、強く短く配るより、弱く長く配ったほうが生育が伸びることがあります。あるレタスとミズナの実験では、総光量を同じに保ったまま点灯時間を延ばしてPPFDを下げると、地上部の生育量がそれぞれ16%、18.7%ほど増えました（参考: 4）。同じ電気でも、配り方しだいで収量が動く。ですから、「強さをどこで止めるか」だけでなく、「その電気をどう配るか」も合わせて考えるとよいでしょう。
ただし、弱く長く配るのも万能ではありません。点灯を長く引くと、棚をその分長く占有するので、回転が落ちます。一日でも早く出して次を詰めたい棚なら、これはばかにできない。生育を強く詰めるとチップバーン――葉のふちが枯れる症状――が出ることもあり、せっかく増やした収量が、見た目の悪い葉で目減りする。そんなことも起こりえます。
ですから、強さ（PPFD）と配り方（光周期）は、別々のレバーだと考えるとよいでしょう。止めどころも、一本の線の上の一点というより、この二つの組み合わせの中で探すことになります。見るものも増えて、収量・電気代に、チップバーンと棚の回転を足した四つ。配り方を動かしたら、収量だけを見て「増えた」で終わらせず、四つがどう動いたかをセットで見ます。そうすれば、強さで詰める場面なのか、配り方で稼げる場面なのかが、だんだん見分けられてくるはずです。
設備は明るさでなく光あたりのワットで選ぶ
ここまでは日々の設定の話でしたが、これは設備をどうするかにもつながります。LEDの更新や、棚をもう一段増やすという話が出たとき、つい「どうせ替えるなら明るい機種を」「増やすなら光量を稼げるものを」と考えがちです。その選び方は危うい。設備を選ぶとき、明るさの絶対値ではなく何を見ればいいのか。日々の止めどころの話と、何百万円かける投資の話は、同じ物差しで考えられるのか。ここを整理しておきます。
機種選びで見るべきは、明るさの絶対値ではありません。見るのは「同じ1の光をつくるのに何ワット食うか」、つまり光あたりの電力、発光効率のほうです。同じPPFDを出していても、効率のよい機種ならそれを少ない電力でつくれる。すると「次の100ワットの電気代」が軽くなるので、釣り合う点――止めどころが奥にずれます。同じ電気でより多く穫れる、と言い換えてもいい。ですから、「明るさ」ではなく「光あたりのワット」で機種を並べて比べるのが筋です。
ただし、ここには正直に留保をつけます。研究室で測ったLEDの効率値が、そのまま現場の数字になるとは限らない、という指摘があります（参考: 5, 6）。「明るい機種に替えれば解決」と同じ調子で「効率のよい機種に替えれば解決」と思い込むのも、やはり危うい。あとで費目で見るように、その効果はコスト全体でならすと思うほど大きくならず、ひっくり返るほどの差にはなりにくい。その程度に見ておくのがよいでしょう。
そのうえで、投資の物差しと日々の止めどころは別物かというと、これは地続きです。日々の判断が「次の100ワットの電気代を、その光が生む収量で返せるか」を見ているなら、投資の判断は「この設備の差額を、それが生む収量増ぶんで何年で返せるか」を見るだけ。判断のクロスはシンプルで、いまの設定が頭打ちに近いほど光を増やす投資の伸び代は薄く、電気の単価が高いほど効率のよい機種に替える妙味は増します。同じ「光あたりの収量 × 電力単価」という物差しを、月の伝票から数年の回収期間へと、時間軸に伸ばしただけです。別の頭で考える必要はありません。費目で言うと、人工光型では電力が生産コストのおよそ2〜4割を占め、その電力のおおむね6〜8割超を照明が使います（参考: 3）。つまり、電力を1割削れた効果は、コスト全体でならすと意外と細い。何百万円かけてその細い差を何年で取り戻すか、と置いてみると、絵が冷静になります。
それともう一つ、順序の話です。設備を替える前に、まず今あるハードのままで詰めきれる余地が残っていないかを点検するのが先。強さの止めどころと配り方は、お金をかけずに動かせます。運用で取れる分を取りきってから、それでも足りないところをハードで買う。その「運用で取りきる」の代表が、反射板です。栽培棚の側面や端に反射板を入れて逃げる光を拾い直すと、新規の投資をほとんど伴わないまま、同じLED消費電力で収量を1割前後（高反射のアルミ板で10〜15%ほど）押し上げられる、と現場では知られています。光量を増やすのでも機種を替えるのでもなく、いま流している電気の取りこぼしを減らすだけ。設備を替える前に取りきる余地の、わかりやすい筆頭です。明るい機種に飛びつくのも、効率のよい機種に飛びつくのも、順番としては、こうした運用を詰めたあとです。
照度ムラと波長を詰める順番
ここまでの話は、棚全体に均一に光が当たっている前提で進めてきました。でも実際の棚は、端と真ん中で明るさがかなり違います。さらに、白色や赤青といった光の色をどうするかという問題も別にある。こうした「ムラ」や「波長」まで気にし始めるとキリがないように思えますが、どこまで詰めればいいのか、優先順位を整理しておきましょう。
この二つは性格がかなり異なるので、分けて考えると優先順位がはっきりします。
まず照度ムラ。これは先に詰める価値があります。ここまでの「止めどころ」は、棚の平均PPFDで決めていました。しかし端と中央で明るさが違うと、棚の一部はもう光を使いきれない領域に入って電気を捨てている一方で、別の一部は光が足りずに収量が出ていない、ということが起こりやすい。同じ電気を流しているのに、片側で無駄遣い、片側で取りこぼしが同時に起きるわけです。平均値で最適を探す前に、一度「どれくらいばらついているか」を測っておく価値があるのは、このためです。ただし、許容線を「端と中央で何％差まで」という普遍の数字で引こうとはしないほうがいい。引くべきは「その差が、実際に収量や品質の差として表に出ているかどうか」です。測って差があっても、穫れ高や見た目に出ていないのなら、まだ追う必要はない。差が表に出ているなら、器具の配光や取り付け高さ、反射板の入れ方で均していくのが手順です。私自身、人工光型のレタスの棚で端と中央を測ると差が出ていて、反射板や配置で均すと出荷の揃いが上がった、という経験があります。目安として言えば、格子状に配置すればばらつきを5%以内まで均せる、とされています。ただしそこまで詰めるかどうかは、％の線で機械的に決めるのではなく、その差が実際に収量・品質に出ているかで決める。あくまで「ここまで均せる」という到達可能性の目安であって、守るべきノルマではありません。
波長――赤青比や白色――は、少し毛色が異なります。ここで最も大事なのは、収量を最大にする「赤と青が何対何」という唯一の正解は存在しない、という点です。最適は、作物・品種・何を狙うかによって動きます。光の色は形にも効いていて、ざっくり言えば青を強めると葉が厚く締まり、赤を強めると茎が伸びやすい、という方向の違いがあります。さらに同じ作物でも、収量を最大にする比と機能性成分を最大にする比が逆を向くことすら確認されている、と報告されています（参考: 8。葉物で青と赤の割合を変えた別の試験でも、生育や養分の吸われ方が比率で変わることが示されています: 7）。ですから波長は、「自分が何を採りたいか」を先に決めてから合わせる話。よその施設で良かった比率をそのまま借りても、合うとは限りません。
したがって、優先順位はこうなります。まず強さの止めどころ――電力単価と収量カーブ。次に配り方（光周期）と照度ムラで、これは取りこぼしを消す作業です。波長は「何を最大化するか」が決まってから、最後で構いません。キリがなく見えるのは、すべてをいっぺんに詰めようとするからです。収益に効く順に一つずつ潰していけば、終わりはちゃんと見えてきます。
最適PPFDを一つの数字で覚えるのをやめる
ここで、ひとつ但し書きを入れておきます。ここまでの話は、人工光型でレタスのような葉物を回している現場が前提でした。「収量カーブが寝てくる」「電力単価で止めどころが動く」というのは、その前提の中での話です。トマトやイチゴのような果菜、あるいは太陽光を使う温室になると、採算の構造も光の効き方も別物になる。ここでの考え方を、そのまま別の型式や作物に当てはめるのは危ういところです。
そのうえで、最後にひとつだけ持ち帰っていただくとすれば、「最適なPPFDを一つの数字で覚えるのをやめること」です。ここまでお話ししてきて、いちばん効いていたのは、設定そのものよりも、設定をどう見るかのほうでした。LEDは、「いくつに合わせるか」を一度決めて貼り付けておくものではありません。電力単価が動くたびに、止めどころを引き直す対象です。きょう「正解」だった三百が、来月の伝票では「やりすぎ」になる。それは失敗ではなく、外側の単価が動いたぶん、線を引き直せばいいだけのことです。
持ち帰っていただきたいのは、新しい数字ではなく、見方のほうです。光を固定値だと思っていたのを、単価に合わせて毎月引き直す、動くものとして扱う。そこさえ切り替われば、あとはきょうの順番――強さ、配り方とムラ、最後に波長――を一つずつ詰めていけばいい。淡々と、そういう設計対象なのだと思って付き合っていく。それだけで、ずいぶん楽になるはずです。
植物工場の収益は、最先端のシステムよりも、こうした現場の見方一つで変わってきます。同じ考え方を費目ごとに広げて整理したものとして、植物工場の収益性を高める172のヒントもよければ手がかりにしてください。