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Technologie

2.5.01 Angepasste Technologie – Ein unterirdisches Wasserwerk auf Java

Die Südküste der Insel Java ist eine der ärmsten Regionen Indonesiens. Den Menschen fehlt Wasser, obwohl es unter der Erde große Vorräte gibt – in weit mehr als 1.000 Höhlen; über ein verzweigtes unterirdisches Gewässersystem fließt das Wasser jedoch in das Meer ab. Wissenschaftler aus Deutschland und Indonesien haben für eine Region auf Java eine einfache Lösung gefunden: ein unterirdisches Kleinkraftwerk, das genug Wasser an die Oberfläche befördert, um etwa 80.000 Menschen versorgen zu können.

Die rund 1.400 Quadratkilometer große Karstlandschaft in der Region Gunung Sewu auf Java ist von Hunderten miteinander verbundenen Höhlen und unterirdischen Flüssen durchzogen. Obwohl unter der Erde ausreichend Wasser vorhanden ist, leiden die Bewohner der Region in der Trockenzeit unter Wassermangel, weil geeignete Speicher fehlen – die wenigen Niederschläge versickern schnell im karstigen Boden. In der Regel befördern mit Dieselgeneratoren betriebene Pumpen das Wasser aus den Höhlen an die Oberfläche. Einmal abgesehen vom Energieverbrauch und den hohen Betriebs- und Wartungskosten: Die Fördermenge reicht nicht aus, um den Wasserbedarf von privaten Haushalten, Gewerbe und Landwirtschaft zu decken.

Wasser aus Höhlen

Eine im Auftrag des BMBF durchgeführte Machbarkeitsstudie kam zu dem Ergebnis, dass es technisch möglich wäre, das Höhlenwasser mittels Wasserkraft zu fördern. Dies war der Ausgangspunkt für das 2002 gestartete deutsch-indonesische Pilotprojekt „Erschließung und Bewirtschaftung unterirdischer Karstfließgewässer in Mitteljava, Indonesien“ zum Bau einer Demonstrationswasserkraftanlage in Gunung Sewu. Unter Leitung des Instituts für Wasser und Gewässerentwicklung (IWG) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) waren sieben Institute unterschiedlicher Fachdisziplinen sowie industrielle Partner beteiligt (Tunnelvortriebs-, Pumpen- und Regelungstechnik).

Bohrstelle im Karstgebiet

Bohrstelle im Karstgebiet
Bohrstelle im Karstgebiet
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Nach intensiven Erkundungen vor Ort fiel die Wahl auf die Höhle (Gua) Bribin. Sie hat ein Speichervolumen von etwa 300.000 Kubikmetern, der Wasserdurchfluss beträgt selbst in der Trockenzeit über 1.000 Liter pro Sekunde. Die Projektteilnehmer entschieden sich für den Bau eines Sperrwerks in der Höhle, um das kontinuierlich zuströmende Wasser aufzustauen, einen Teil davon mittels Kleinwasserkraftwerk über eine 100 Meter lange Steigleitung zu fördern und so rund 80.000 Menschen in den umliegenden Hüttensiedlungen zu versorgen. Bewusst konzentrierten sich die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf einfach handhabbare Techniken, die an die Bedürfnisse von Mensch und Natur vor Ort angepasst sind.

Erkundungen des Höhlensystems

Erkundungen des Höhlensystems
Erkundungen des Höhlensystems
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Bauarbeiten in der Höhle

Bauarbeiten in der Höhle
Bauarbeiten in der Höhle
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Um die potenziellen Einstauhöhen und Speichervolumina zu bestimmen, wurden große Teile der Höhle mittels modernster Lasertechnik exakt vermessen, die Daten anschließend zu einem hochaufgelösten, dreidimensionalen Modell zusammengeführt. Die Porosität und die mineralogische Zusammensetzung des Gesteins ermittelten die Forscher durch makro- und mikroskopische Untersuchungen von Proben. Sie schufen damit eine wichtige Voraussetzung, eventuelle Wasserverluste und Korrosionserscheinungen prognostizieren und so die langfristige Stabilität des Systems beurteilen zu können. Anschließend installierten sie ein Messnetz, um die Gewässergüte sowie die hydrologischen, hydraulischen und hydrogeologischen Zustände kontinuierlich zu erfassen.

Nach der Erschließung des Projektgebiets führte das Department of Public Works, Yogyakarta, auf Grundlage der vom IWG erhobenen Vermessungsdaten eine erste Sondierungsbohrung (103 m) durch. Nach einer weiteren Bohrung und einer detaillierten Analyse der Bohrproben begannen im Sommer 2004 die Arbeiten an einem Zugangsschacht; die Firma Herrenknecht AG entwickelte hierfür eine an die örtliche Situation angepasste Vertikalvortriebsmaschine und grub einen rund 100 Meter tiefen Schacht mit einem Durchmesser von 2,5 Metern. Der Durchbruch in die Höhle erfolgte im Dezember 2004.

Pumpen statt Turbinen

Für die Konstruktion der Staumauer mit integrierter Kleinwasserkraftanlage wurden verschiedene Bau-, Material- und Ausführungsvarianten untersucht. Dabei ging es neben der optimalen Funktionsfähigkeit, Sicherheit und Verfügbarkeit auch darum, die Betriebstechnik der Kleinwasserkraftanlage hinsichtlich ihrer Steuerung, Wartung und Instandhaltung an die Fähigkeiten und den Ausbildungsstand des technischen Personals vor Ort anzupassen: Deshalb kommen zur Energiegewinnung invers betriebene Pumpen statt Turbinen zum Einsatz, die in Zusammenarbeit von IWG und der Firma KSB AG entwickelt wurden. Sie sind kostengünstig, sehr robust und wartungsfreundlich.

Erdbeben unterbrach die Arbeiten

Nach Abschluss der Planungen begann im April 2005 der Bau des unterirdischen Sperrwerks. Ende 2005 mussten die Bauarbeiten aufgrund der frühen Regenzeit unterbrochen werden; kurz nach Wiederaufnahme der Arbeiten im Mai 2006 ereignete sich ein schweres Erdbeben der Stärke 6,3 auf der Richterskala, dessen Epizentrum nur 30 Kilometer entfernt lag. Die Baustelle selbst blieb weitestgehend unversehrt, jedoch stieg der Wasserstand nach dem Beben an der Baustelle um rund zwei Meter – weitere Bauarbeiten waren nicht möglich. Deutsche Berufstaucher stellten fest, dass der Anstieg des Wasserspiegels durch einen Versturz hinter dem flussabwärts folgenden Siphon verursacht wurde. Insgesamt blockierten über 1.000 Kubikmeter Geröll an dieser schwer zugänglichen Stelle den Fließquerschnitt. Ende 2006 sprengten deutsche und indonesische Spezialisten eine Schneise in diesen Versturz – ab Juni 2007 konnten die Arbeiten fortgeführt werden.

Im August 2008 erfolgte nach erfolgreicher Fertigstellung der Staumauer sowie der Installation des ersten Fördermoduls ein erster Probeeinstau unter großer Anteilnahme der Öffentlichkeit. Aufgrund von Sättigungsprozessen im umgebenden Gebirge wurde die Einstaudauer auf ein bis zwei Wochen geschätzt – tatsächlich war das Stauziel von 16 Metern bereits nach weniger als zwei Tagen erreicht. Während des Probeeinstaus erfolgte auch ein Testbetrieb des ersten Fördermoduls, hier ließ sich eine Förderleistung von 20 Litern pro Sekunde am Ende des 100 Meter langen, vertikalen Steigrohrs messen – das Ergebnis entsprach den Erwartungen. Noch vier weitere Fördermodule sowie ein elektrisches System zur Anlagensteuerung wurden installiert.

Somit konnten die Projektpartner die Anlage im März 2010 an die zuständige indonesische Behörde übergeben, deren Mitarbeiter durch Schulungen auf den selbständigen Betrieb der Anlage vorbereitet waren. Um das Verhalten der Anlage im Dauerbetrieb bewerten und bei eventuell auftretenden Problemen helfen zu können, begleitet das KIT den Betrieb während der Laufzeit des Nachfolgeprojekts „Integriertes Wasserressourcen Management (IWRM) in Gunung Kidul, Java, Indonesien“ (siehe Projekt 1.3.05).

Projekt-Website www.iwrm-indonesien.de

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Institut für Wasser und Gewässerentwicklung (IWG)

Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult. Franz Nestmann
Dr.-Ing. Peter Oberle
Dr.-Ing. Muhammad Ikhwan
Kaiserstraße 12
76131 Karlsruhe
Tel.: 07 21/6 08 63 88
Fax: 07 21/60 60 46
E-Mail: peter.oberle@kit.edu
Förderkennzeichen: 02WT0424
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Water as a resource
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Angepasste Technologie – Ein unterirdisches Wasserkraftwerk auf Java

Ein unterirdisches Kleinkraftwerk in Indonesien, das genug Wasser an die Oberfläche befördert, um etwa 80.000 Menschen versorgen zu können
unterirdischer Staudamm in der Höhle Bribin

Projekt-Website

www.iwrm-indonesien.de