750 Metern Breite, 272 Meter Höhe – eine gewaltige Staumauer überspannt das tiefe Enguri-Tal im georgischen Teil des Kaukasus. Ein Bauwerk, welches vor mehr als drei Jahrzehnten vollständig in Betrieb genommen wurde und die dritthöchste Talsperre weltweit darstellt. Doch der Betonkoloss funktioniert seit vielen Jahren nicht mehr so, wie er funktionieren soll.

Wasserkraft ist eine effiziente Möglichkeit, Energie zu erzeugen und Wasser für Trockenperioden zu speichern. Laut Schätzungen gibt es zwischen 45.000 und 60.000 große Staudämme weltweit. Diese Bauwerke stellen jedoch erhebliche Eingriffe in die natürliche und gebaute Umwelt dar. Durch den Aufstau werden viele Tier- und Pflanzenarten verdrängt und der natürliche Sedimenttransport aus den Flüssen ins Meer gestört. Zudem ist die Flutung des Stausees zumeist mit Umsiedlungen verbunden. Deshalb ist eine sorgfältige Planung und langfristige Nutzung entscheidend, um im Spannungsfeld von Klimaschutz und Umweltschutz akzeptable Lösungen herbeizuführen.

Naturrisiken für Staudämme besser vorhersagen

Forscherinnen und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) untersuchen den georgischen Staudamm seit Mitte 2019 näher. Im Rahmen des von der Bundesregierung geförderten Projekts DAMAST wollen sie zusammen mit Partnern aus Georgien und Armenien herausfinden, welche Naturrisiken den Staudamm gefährden und wie ein effizienter Betrieb langfristig gesichert werden kann. 

Ein großes Problem sind Sedimentfrachten, die vom Enguri flussabwärts getragen und am Staudamm gestoppt werden. Rund 60 Meter hoch türmen sich die Sandschichten bereits an der Staumauer auf, ein Grundablass ist mit Sediment chronisch verstopft. Letztendlich fährt das Kraftwerk aktuell nur die halbe Leistung. Dabei soll es große Teile Georgiens und Abchasiens mit Strom versorgen.

„Das führt ohne Ertüchtigungsmaßnahmen dazu, dass dieses Stausystem langfristig nicht mehr zur Stromproduktion genutzt werden kann“, sagt Frank Schilling, Professor am KIT-Institut für Angewandte Geowissenschaften und Koordinator des Projekts. Technisch ausgelegt seien die meisten Staudämme für eine Betriebszeit von mehr als 100 Jahren. Oftmals sei der Betrieb durch verschiedene Faktoren jedoch schon nach 50 Jahren gefährdet.

Im Verbundvorhaben DAMAST, ein Projekt innerhalb des vom Bundesministeriums für Bildung und Forschung geförderten Forschungsprogramms CLIENT II – Internationale Partnerschaften für nachhaltige Innovationen – werden von 2019 bis 2022 innovative Monitoringkonzepte entwickelt, die einen sicheren, effizienten und nachhaltigen Betrieb von Staudämmen ermöglichen sollen. Untersuchungsgegenstand ist ein Wasserkraftwerk in Georgien. Das im Projekt gesammelte Wissen soll in die Planung weiterer Staudämme sowie den Aufbau eines Kompetenzzentrums fließen. 

Vorhersagen mittels modernster Technologien

Der Enguri-Staudamm weist weitere Besonderheiten von großem wissenschaftlichen Interesse auf: So unterliegt der angestaute See hohen Schwankungen des Wasserspiegels durch fehlende Zuflüsse im Winter und eine starke Schneeschmelze im Frühjahr und Sommer – die Differenz beträgt im Jahresverlauf bis zu 100 Meter. Oft scheint es, als würde im Stausee jemand den Stöpsel ziehen. 

Aber auch Gefährdungen durch Extremereignisse betrachtet das Forscherteam. Hierzu zählen Hangrutschungen, die wiederum mit starken Regenfällen in Verbindung stehen. Bei Stauanlagen müssen zudem natürliche Erdbeben – der Enguri-Staudamm liegt in einer besonders seismisch aktiven Region – und von Menschen verursachte, technische Beben beachtet werden. 

Das DAMAST-Team will daher neuartige, integrierte Monitoringkonzepte entwickeln, um Staudämme auch an schwierigen Standorten besser zu überwachen und das Risikomanagement zu verbessern. Gelingen soll dies durch den Einsatz von innovativer Sensorik, Computermodellen und einer detaillierten Erfassung der Damm- und Geländestrukturen.

Die Forscher setzen ein ganzes Arsenal an modernen Technologien ein: Dazu gehören unter anderem Messungen mit speziellen Drohnen und Unterwasserfahrzeugen, dreidimensionale Vermessungen des Flusstals, Bohrungen und Probennamen im Sediment sowie ein mobiles Radarsystem zur Überwachung und Analyse von Oberflächendeformationen.

Know-how fließt in neues Kompetenzzentrum ein

Das Forscherteam will sich jedoch nicht auf Untersuchungen am Enguri-Staudamm beschränken. In einem nächsten Schritt sollen geologische Daten im Umfeld geplanter weiterer Staudamm-Projekte im Nenskra-Tal gesammelt werden, so dass frühzeitig mögliche Störungszonen im Untergrund erkannt werden können. Dieses Basismonitoring steht dann für die Bauprojekte zur Verfügung. „Unser Ziel ist, die Vorhersagen zur Seismizität und den Gefährdungen von Staudämmen deutlich zu verbessern“, sagt die DAMAST-Projektmanagerin Birgit Müller. 

Das Know-how aus DAMAST soll langfristig verfügbar bleiben und in ein Kompetenzzentrum „Wasserkraft“ in Georgien einfließen, welches bei künftigen Staudammprojekten sowie Projekten in der Geothermie, im Bergbau oder in der Infrastruktur fachlich unterstützen könnte. Zudem soll in Kooperation mit dem KIT ein Ausbildungsprogramm in Georgien etabliert werden.

Die Idee des Kompetenzzentrums wird jetzt mit georgischen Partnern weiterentwickelt. Ein positives Votum gibt es bereits von der georgischen Regierung. Der Aufbau der Einrichtung könnte laut Schilling schon in wenigen Jahren starten. „Georgien will mittelfristig Energie aus Wasserkraft auch nach Europa exportieren, dafür muss die Infrastruktur geschaffen werden“, betont der Wissenschaftler. Aber auch zur Planung neuer Wasserreservoire in Europa, die aufgrund des Klimawandels und der damit verbundenen Wasserknappheit in den Sommermonaten notwendig sind, kann das neu gewonnene Wissen eingesetzt werden.