Biosolární střechy – rostliny a fotovoltaika se výhodně doplňují

Benefity, které poskytují zelené střechy, jsou již obecně známé, stejně jako výhody umístění fotovoltaických panelů na střechy. Pokud se investor chce chovat ekologicky i ekonomicky, nemusí si nutně vybrat buď zelenou střechu nebo fotovoltaické panely. Oba přístupy k využití střechy lze výhodně kombinovat, čímž je možné docílit ještě větších přínosů, než kdyby byly technologie použity zvlášť.

Ideálním způsobem, jak zelené střechy a fotovoltaiku kombinovat, je pomocí systémů takzvaných biosolárních zelených střech. Termín (z anglického biosolar) vznikl spojením slov biodiverzita a solární a obsahuje tak v sobě dvě základní charakteristiky, jimiž se vyznačuje. Biosolární zelené střechy se v zahraničí běžně instalují, systémová řešení biosolárních zelených střech jsou na evropském trhu k dispozici více než deset let. V České republice jsou však tato řešení zatím spíše výjimkou. V zahraničí probíhá také celá řada výzkumů, které zkoumají přínosy tohoto řešení.  

Výhody kombinace vegetace a fotovoltaiky jsou v zásadě dvě: vegetace na střeše vytváří prostor pro hmyz a drobné bezobratlé živočichy, čímž zvyšuje dnes tolik skloňovanou biodiverzitu. Navíc ochlazuje okolní vzduch v horkých letních dnech, čímž zvyšuje efektivitu FV systémů.

Zvýšení výkonu fotovoltaických (FV) panelů

Výkon fotovoltaických (FV) panelů v kWp se udává při standardních testovacích podmínkách při teplotě článků 25 °C. Pokud je teplota vyšší, panely nejsou tak účinné, jaký je jejich nominální výkon. Snížení výkonu panelu se pro každý typ panelu může lišit, ale udává se, že s každou změnou o 1 K teploty směrem nahoru se sníží výkon panelu o 0,3–0,5 %. Proto je vhodné, aby panely byly chlazené proudícím vzduchem nebo jejich teplota byla oněch ideálních 25 °C.

Teplota povrchu střešního asfaltového hydroizolačního pásu v létě může běžně dosahovat 70–80 °C, šedá hydroizolační fólie nebo kačírek kolem 60 °C. Tyto materiály jednak teplo akumulují, ale také ho vyzařují do okolí, kvůli čemuž se zvyšuje i teplota okolního prostředí, ve kterém FV panely pracují. Pokud jsou panely umístěné nad zelenou střechou, projevuje se chladicí účinek vegetace, která odpařováním vody pohlcuje energii ze slunečního záření a snižuje teplotu okolního vzduchu. Fotovoltaika tak pracuje při nižších teplotách a s vyšší účinností. Tento efekt je dále podpořen tím, že FV panely mají vyvýšenou konstrukci, pod kterou může proudit vzduch a chladit tak panel. Výsledky studií zkoumajících zvýšení účinnosti FV panelů na zelených střechách jsou různé v závislosti na orientaci panelů, sklonu, výšce střechy apod. Skupina vědců z univerzity v Hongkongu sbírala a analyzovala data ze 145 článků a studií, která ukazují, že pomocí zelené střechy lze zvýšit výkonnost fotovoltaických panelů o 1–5 %.

Redukce emisí CO₂

Zelené střechy s fotovoltaikou přispívají ke snižování emisí CO₂ nejenom proto, že FV systémy jsou udržitelnou volbou pro výrobu čisté energie v městských oblastech. Vegetační souvrství na střeše také působí jako izolace, čímž snižuje energetickou spotřebu budovy, a navíc rostliny na střeše absorbují CO₂ z okolního ovzduší. Střešní substráty mají také vysokou schopnost ukládání (sekvestrace) uhlíku, což je přeměna CO₂ na stabilní uhlík v půdě. Jeden z pokusů ukázal, že instalací zelené střechy s fotovoltaikou na ploše 300 m² je možné snížit emise CO₂ o 13–1302 kg/rok.

Čisticí efekt vegetace

Prach na povrchu fotovoltaických panelů narušuje propustnost skla a může tak snižovat účinnost FV systémů až o 10 %. Rostliny na zelených střechách mohou zachytávat jemné prachové částice, a tím filtrovat a čistit okolní vzduch. Různé světové studie ukazují, že vegetace na střeše může snižovat koncentraci prachových částic v ovzduší až o 30 %. V britském Manchesteru zpracovali modelovou studii, ze které vzešlo, že pokud by byly na všech plochých střechách Manchesteru zelené střechy, bylo by ročně odstraněno 210 kg polétavého prachu PM10. Výše uvedené výsledky naznačují, že kombinace zelené střechy s FV systémem by mohla pomoci několika způsoby, a to zvýšením výkonu FV energie a odstraněním koncentrace polutantů v městských oblastech.

Umístění fotovoltaických panelů

Biosolární řešení je možné většinou aplikovat na plochých střechách se sklonem do 5°. Klíčovou výhodou biosolárních zelených střech je způsob, jakým je usazena nosná konstrukce fotovoltaiky na střeše. Nosná konstrukce je pevně integrována do podkladních vrstev vegetačního souvrství, což umožňuje ji plošně přitížit vlastní tíhou vegetačního souvrství, přičemž samozřejmostí musí být, aby takto přitížená konstrukce i s FV panely odolala větrnému zatížení. Plošným přitížením nedochází k bodovému zatížení střechy jako u systémů, kdy je podpůrná konstrukce přitížena například dlaždicemi. Nejdůležitější ale je, že není nutno konstrukci kotvit do střešního pláště a porušovat tak hydroizolační vrstvu. Tomu se můžeme vyhnout pomocí plošně přitížené nosné konstrukce. Díky vyvýšení nosné konstrukce je pak zajištěno chlazení panelu proudícím vzduchem a to, že rostliny nemohou panel přerůst a zastíněním snížit jeho účinnost. To platí samozřejmě jen v případě, že použijeme správný sortiment rostlin a střechu udržujeme.

Vegetace na biosolární střeše

Biosolární zelené střechy jsou extenzivní, vegetace se tak skládá většinou z rozchodníků a nižších suchomilných travin a bylin. Vhodný výběr rostlinných druhů je předmětem výzkumů, vždy se vychází z místních klimatických podmínek. V souvislosti s biosolárními zelenými střechami se zkoumají například druhy: Asteriscus maritimus, Origanum vulgare, Rosmarinus officinalis, Coreopsis pubescens, Lamium maculatum, Trifolium ruben, Trifolium dubium, Trifolium repens, Dianthus fruticosus, Lobularia maritima, Cynodon dactylon anebo Geranium molle.

Předpokládá se, že vegetace s vysokým indexem listové plochy bude fungovat lépe, protože to zvýší rychlost evapotranspirace, i když jsou zapotřebí další studie. Na plochy pod panely je nutné zvolit takové rostliny, které zvládnou
zastínění.

Biodiverzita

Další výhodou biosolárních zelených střech je větší druhová pestrost rostlin i živočichů na ní. Vlivem lidské činnosti dochází k vymírání rostlinných a živočišných druhů a tato snižující se biodiverzita ohrožuje fungování celých ekosystémů. Jen za posledních 27 let byl v Německu zaznamenán úbytek 75 % létajícího hmyzu. Biosolární zelené střechy nabízejí členitější povrch, různé vlhkostní poměry i intenzitu oslunění oproti klasické extenzivní zelené střeše. Pozorování ze Švýcarska dokumentovalo o 15–30 % více druhů hmyzu na zelených střechách s fotovoltaikou oproti zeleným střechám bez ní. Biosolární zelené střechy tak mohou pomoci ekosystémům ve městě k větší stabilitě a spolu s dalšími prvky zelené infrastruktury mohou utvářet sídla, která budou prostupnější pro drobné živočichy, zdravější a odolnější vůči klimatickým změnám.

Odbornost především

Alfou a omegou funkční kombinace fotovoltaiky a zelené střechy je odborná příprava a provedení. Ty by měly vždy provádět odborné firmy s dostatečnou znalostí problematiky zelených střech i fotovoltaiky. Nutná je přitom součinnost zákazníka, realizátora vegetačního souvrství a integrované nosné konstrukce a dodavatele fotovoltaického systému. Ani údržbu není radno zanedbat. Extenzivní zelenou střechu je třeba jednou nebo dvakrát ročně navštívit a zkontrolovat, zda se na ní nevyskytují nežádoucí rostliny, které by svým vysokým vzrůstem mohly způsobit zastínění panelu.

Fotovoltaiku je možné se zelenou střechou kombinovat i bez systémových řešení, to ale při špatném návrhu může být zdrojem mnoha problémů spojených s kotvením, přitížením nebo zastíněním FV panelů. Na takové problémy rovněž člověk může narazit při dodatečné realizaci jak zelené střechy, tak fotovoltaiky. Výsledkem pak může být namísto synergie snížení účinnosti panelů, nefunkčnost zelené střechy nebo obojí dohromady.

Závěr

Biosolární zelené střechy zachovávají výhody zelené střechy (zadržení vody v místě dopadu, ochrana hydroizolace, tepelný komfort v budově a další) a propojují je s nízkoemisní výrobou energie. Výsledné řešení je přínosem pro oba systémy a při správném návrhu, provedení a údržbě je účinnou odpovědí na řešení dopadů klimatické krize ve městech, úbytek biodiverzity a energetické výzvy. Biosolární zelené střechy přinášejí komplexní a multioborové řešení. Proto se i odborná sekce Zelené střechy při Svazu zakládání a údržby zeleně bude tomuto tématu dále intenzivně věnovat a vzdělávat v něm i své členy.

Pavel Dostal
Foto: archiv autora

Ing. Pavel Dostal (*1991)
– absolvoval VŠE, obor Mezinárodní politika a diplomacie. Je jednatelem společnosti GreenVille service s.r.o. zabývající se realizacemi zelených střech. V roce 2020 byl zvolen předsedou Rady Sekce Zelené střechy při SZÚZ, působí také jako viceprezident mezinárodní organizace European Federation of Green Roof & Living Wall Associations (EFB).

Zdroje:
Brenneisen, S., 2015. Symbiose PV mit Gründach – Fluch oder Segen. Winterthur, VESE-Tagung.
Chemisana, D. & Lamnatou, C., 2014. Photovoltaic-green roofs: An experimental evaluation of system performance. Applied Energy, Svazek 119, pp. 246–256.
Hallmann, C. A. a další, 2017. More than 75 percent decline over 27 years in total flying insect biomass in protected areas. PLoS ONE, 12(10).
Köhler, M., Wiartalla, W. & Feige, R., 2007. Interaction between PV-systems and extensive green roofs. Minneapolis, Friends of the Mississippi River: The Fifth Annual Greening Rooftops for Sustainable Communities Conference.
Muhammad Shafique, Xiaowei Luo, Jian Zuo, Photovoltaic-green roofs: A review of benefits, limitations, and trends. Solar Energy, Volume 202, 2020.
Weller, B. e. a., 2009. Photovoltaik. Der Leitfaden zur Planung gebäudeintegrierter Photovoltaik, Mnichov: Detail Praxis.
Zorrilla-Casanova, J. a další, 2011. López, L., Sidrach-de-Cardona, M., 2011. Analysis of dust losses in photovoltaic modules. Linköping, Linköping University Electronic Press: World Renewable Energy Congress-Sweden.