Střešní agrovoltaika: Spojení dvou solárních trendů

Tento článek popisuje spojení dvou směrů a to agrovoltaiky a střešní fotovoltaiky, které se dají spojit do jednoho z nových trendů, kterým je právě kombinace těchto dvou směrů solárního sektoru, anglicky označovaná jako „rooftop agrivoltaics“ neboli střešní agrovoltaika.

Tento nový trend by se dal označit jako evoluce zelených střech s fotovoltaikou. Zelené střechy, střechy s fotovoltaikou přináší jisté benefity, které klasická střecha nemá. Agrovoltaické střechy tyto benefity ještě rozšiřují.

Solární sektor je dnes tahounem energetické tranzice od fosilních k obnovitelným zdrojům elektrické energie. Konkrétně v Evropě jsou cíle stanoveny a směřují k uhlíkové neutralitě v roce 2050. Tento proces je velmi náročný, jak technologicky, tak i finančně, nicméně přináší benefity, které by měly mít pozitivní efekt na celé lidstvo a jeho zdraví.

Základními dokumenty deklarujícími tento proces v oblasti výroby elektrické energie je Green Deal [1], neboli Zelená dohoda a z něj vycházející „EU Solar energy strategy“, tedy strategie rozvoje solárního sektoru v Evropské unii obecně [2]. Solární sektor dnes neznamená pouze klasickou pozemní nebo střešní fotovoltaiku, ale také plovoucí fotovoltaiku, agrovoltaiku, fotovoltaiku integrovanou do budov a aut a další aplikace fotovoltaických článků.

Zelené střechy

Obecně můžeme zelené střechy definovat jako ty střechy, kde je určitá vrstva organické hmoty, umožňující růst vegetace. Zelené střechy dělíme primárně na extenzivní, polo-intenzivní a intenzivní. Extenzivní zelené střechy mají vysokou míru autoregulace a na jejich údržbu je tedy potřeba minimální zásah člověka. Na tomto typu střech se typicky vyskytují suchomilné rostliny, které dokážou překonat i dlouhá sucha, jelikož extenzivní zelená střecha není nijak zalévána právě v období sucha. Polo-intenzivní zelené střechy využívají ty jednodušší a odolnější plodiny z kategorie plodin pro střechy intenzivní. Typicky se tak jedná o travnatou vegetaci, jednoduché trvalky nebo malé keře. [3]

Intenzivní zelené střechy jsou vhodné pro výrazně širší spektrum rostlin, o které je však nutné pečovat a vytvářet jim optimální podmínky pro jejich růst. Je tedy přirozené, že intenzivní zelené střechy mají naopak velmi nízkou míru autoregulace [4].

Volba optimálního typu zelené střechy velmi silně závisí na konstrukčním provedení dané střechy. Šikmé střechy lze primárně využít pro extenzivní typ zelené střechy, zatímco ty rovné jsou vhodné pro všechny typy zelených střech. Velmi důležitým faktorem ovlivňujícím optimální návrh zelené střechy jsou klimatické podmínky regionu, kde se daná střecha nachází a to je třeba zahrnout do přípravy projektu a výběru vegetace. [5]

Synergie elektrické energie a půdy

Agrovoltaické systémy jsou primárně technologií určenou pro umisťování na zemi, na orné půdě. Tyto systémy bychom mohli definovat jako synergii mezi výrobou elektrické energie a zemědělskou činností. Abychom mohli hovořit o agrovoltaickém systému, vždy musí jít právě o tuto kombinaci, existuje však velké množství typů a kombinací agrovoltaických systémů, které jsou opět velmi silně závislé na klimatických podmínkách v místě instalace.

Mnoho států se nyní snaží připravit legislativu pro agrovoltaiku tak, aby bylo možné právně odlišit klasickou pozemní fotovoltaiku a agrovoltaiku. Česká republika je toho zářným příkladem.Na začátku května 2024 prošla poslaneckou sněmovnou novela zákona 334/1992 Sb. o ochraně zemědělského půdního fondu, která formálně zavádí pojem agrovoltaické výrobny do české legislativy [6].

Platnost tohoto zákona by měla být pravděpodobně již od července tohoto roku a měla by povolit výstavbu agrovoltaických systémů ve spojení s trvalými kulturami, tedy vinicemi, chmelnicemi a ovocnými sady. Prováděcí předpis by měl obsahovat i další povolené kultury, jako jsou školy a plochy s kontejnery. O agrovoltaice ale můžeme hovořit i ve spojení se střechami, konkrétně tento nový směr nazýváme pojmem „agrovoltaická střecha“ [7].

Mnoho domácností si nyní především díky finanční podpoře z programu Nová zelená úsporám pořizuje na stávající nebo nové domy fotovoltaický systém. Fotovoltaické systémy mohou při správném nastavení celého systému, tedy velikosti instalovaného výkonu, velikosti bateriového úložiště, ale také dalšího využití vyrobené elektrické energie jako například vytápění, chlazení nebo ohřev teplé vody přinášet finanční úspory a samozřejmě i další environmentální a sociální benefity [8].

Pozitivní dopady na okolí

Fyzikální účinnost fotovoltaických modulů roste velmi pomalu, ale vývoj v oblasti fotovoltaických modulů byl v posledních letech obrovský. Klasický jednostranný fotovoltaický modul začíná být stále ve větší míře nahrazován tzv. „bifaciálním modulem“, což je velmi jednoduše řečeno fotovoltaický modul, kde křemíková vrstva je z obou stran opatřena kontakty a modul je chráněn z obou stran sklem. Světlo potřebné k výrobě elektrické energie tak do fotovoltaického článku může vstupovat z obou stran modulu [9].

Tyto panely jsou tedy schopné na stejné ploše vyrobit větší množství elektrické energie a využívají se nyní především v aplikacích, kde i na spodní stranu fotovoltaického modulu může dopadat třeba jen část odraženého nebo difuzního záření. Speciální podkategorií bifaciálních modulů jsou tzv. „polo-propustné bifaciální moduly“, kde mezi dvěma vrstvami skla jsou pouze křemíkové proužky. Na trhu je již dnes velmi široká škála těchto modulů a je možné si tak vybrat z různé míry zastínění, respektive propustnosti daného modulu. Tyto moduly dnes nacházejí široké uplatnění právě v agrovoltaice, případně v rámci zelených či agrovoltaických střech [10].

Kombinací zelené střechy, střechy s fotovoltaikou a agrovoltaiky vzniká unikátní agrovoltaická střecha s řadou pozitivních impaktů, které nikdy nemohla samostatně přinášet pouze jedna z výše uvedených střech. Zcela neoddiskutovatelným impaktem zelené střechy je její vliv na teplotu povrchu této střechy. Zcela přirozeně dokáže zelená střecha lépe absorbovat sluneční záření a její teplota je tedy výrazně nižší, než například střecha plechová, střecha s kačírkem nebo s asfaltovou izolací.

Fotovoltaické moduly vyrábějící elektrickou energii přinášejí tento benefit na jakékoliv střeše. Ve spojení se střechou zelenou roste efektivita tohoto fotovoltaického systému, jelikož s rostoucí teplotou fotovoltaického modulu klesá také jeho účinnost. Pokud má tedy zelená střecha nižší teplotu, pak fotovoltaické moduly umístěné na ní vyrobí více elektrické energie. Dle dat univerzity v Hongkongu může efektivita fotovoltaiky nad zelenou střechou vzrůst o 1–5 % [4].

Rozvoj biodiversity

Zelené střechy s fotovoltaikou dále přinášejí benefit ve formě podpory a rozvoje biodiversity. Rostliny využívané pro zelené střechy lákají hmyz a další živočichy, kteří na rostlinách či keřích částečně chráněných fotovoltaickými moduly nacházejí své útočiště. Snížení produkce emisí oxidu uhličitého je dvojího charakteru, kde jeden impakt mají fotovoltaické panely, produkující čistou elektrickou energii, a tím druhým je vegetace, pohlcující oxid uhličitý a produkující kyslík.

Agrovoltaická střecha přidává ke všem výše zmíněným benefitům další zvýšení efektivity využití dané střechy, jelikož vegetaci tvoří na agrovoltaických střechách plodiny, které jsou pro člověka dále využitelné. Typicky může jít například o bylinky, zeleninu nebo pěstování drobného ovoce. Výsledkem spojení fotovoltaické zelené střechy a konceptu agrovoltaiky tak je velice efektivní systém, který zvyšuje biodiversitu, zvyšuje efektivitu fotovoltaického systému, vyrábí elektrickou energii a v neposlední řadě produkuje rostlinou produkci ve formě ovoce nebo bylinek.

Závěr

Agrovoltaické střechy mohou být tedy doplňkem a další evolucí zelených střech s fotovoltaikou. Jejich využití bude vždy omezené vhodností dané střechy pro tento systém. Budou však aplikace, kdy na střechách bytových domů nebo kancelářských budov vzniknou agrovoltaické střechy, které uživatelům dané budovy přinesou tzv. komunitní zahradu na střeše budovy. Takováto komunitní agrovoltaická zahrada na střeše může přinést i další benefity sociálního rozměru, kromě toho, že přináší veškeré výše zmíněné technické a fyzikální benefity.

Jiří Bím
Autor působí na Fakultě elektrotechnické, ČVUT v Praze a jako vedoucí sekce agrivoltaiky Solární asociace.

Článek vyšel v časopisu TZB 2/2024.

Literatura
[1] European Commission, «The European Green Deal», 2019. doi: 10.1017/CBO9781107415324.004.
[2] European Commission, «EU Solar energy strategy», 2022. [Online]. Tilgjengelig på: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=COM%3A2022%3A221%3AFIN&qid=1653034500503.
[3] Landscape Development and landscaping research society e.V. – FLL, «Green Roof Guidelines – Guidelines for the planning, construction and maintenance of Green Roofs», United States Am., s. 158, 2018, [Online]. Tilgjengelig på: https://commons.bcit.ca/greenroof/files/2019/01/FLL_greenroofguidelines_2018.pdf.
[4] P. I. Dostal, «Biosolární střechy», s. 18–19, 2022.
[5] R. Jing, J. Liu, H. Zhang, F. Zhong, Y. Liu, og J. Lin, «Unlock the hidden potential of urban rooftop agrivoltaics energy-food-nexus», Energy, bd. 256, s. 124626, 2022, doi: 10.1016/j.energy.2022.124626.
[6] Czech ministry of environment, «Draft Act No. 334/1992 Coll., on the protection of agricultural land fund». s. 18, 2023.
[7] H. Dinesh og J. M. Pearce, «The potential of agrivoltaic systems», Renew. Sustain. Energy Rev., bd. 54, s. 299–308, 2016, doi: 10.1016/j.rser.2015.10.024.
[8] G. Martinopoulos, «Are rooftop photovoltaic systems a sustainable solution for Europe? A life cycle impact assessment and cost analysis», Appl. Energy, bd. 257, nr. August 2019, s. 114035, 2020, doi: 10.1016/j.apenergy.2019.114035.
[9] A. R. Jordehi, «Parameter estimation of solar photovoltaic (PV) cells: A review», Renew. Sustain. Energy Rev., bd. 61, s. 354–371, 2016, doi: 10.1016/j.rser.2016.03.049.
[10] A. Yano, M. Onoe, og J. Nakata, «Prototype semi-transparent photovoltaic modules for greenhouse roof applications», Biosyst. Eng., bd. 122, s. 62–73, 2014, doi: 10.1016/j.biosystemseng.2014.04.003.