Pitch-Control und Yaw: Systeme für die optimale Auslegung von Windenergieanlagen
- Windenergie
- 1.9.2025
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Inhalt
Anmerkung: Dieser Artikel und die darin enthaltenen Zahlen wurde im August 2025 aktualisiert.
Windenergieanlagen – komplexe Systeme mit hohem Effizienzpotenzial
Die Entwicklung und Inbetriebnahme moderner Windenergieanlagen erfordert mehr als günstige Windverhältnisse. Faktoren wie Netzanbindung, rechtliche Rahmenbedingungen, Infrastruktur und Sicherheitskonzepte beeinflussen die Wirtschaftlichkeit wesentlich.
Der technologische Fortschritt sowie der wachsende Leistungsanspruch stellen OEMs und Betreiber vor neue Herausforderungen: Die Anlagen werden größer, die Betriebszeiten länger und der Druck, die Stromgestehungskosten (LCOE) zu reduzieren, steigt. Gemäß der Fraunhofer ISE-Studie 2024 liegen die LCOE für Onshore-Wind in Deutschland bereits bei 4,3–9,2 ct/kWh und sollen bis 2045 weiter sinken.
Hier kommen Pitch-Control- und Yaw-Systeme ins Spiel: Sie steuern Rotorblätter und Gondel präzise und sind entscheidend für Energieausbeute, Sicherheit und Langlebigkeit. Wie die Pitch- und Yaw-Bewegungen genau funktionieren, erklären wir in diesem Video auf Youtube.
Pitch-Control-Systeme – Effizienz, Sicherheit und Langlebigkeit
Moderne Pitch-Systeme, wie unser PitchOne regulieren den Anstellwinkel der Rotorblätter und übernehmen gleichzeitig die Funktion der Hauptbremse. Dank zertifizierter Safety-Komponenten (Performance Level e), digitaler Simulation und modularer Architektur wird der Materialeinsatz gesenkt und die Anlagenverfügbarkeit gesteigert.
Das Performance Level (PL) in der Tabelle beschreibt, wie zuverlässig ein sicherheitsbezogenes System in Bezug auf gefährliche Ausfälle ist. Es stammt aus der Norm EN ISO 13849-1, die häufig im Maschinenbau zur Bewertung von sicherheitsrelevanten Steuerungen verwendet wird. Ein Wechsel von PLd auf PLe bedeutet, dass das System noch sicherer wird – mit einem um den Faktor 10 geringeren Risiko eines gefährlichen Ausfalls pro Stunde. Diese Verbesserung erfordert aber auch einen höheren technischen und organisatorischen Aufwand.
Um der zunehmenden Größe und Leistung von Windenergieanlagen gerecht zu werden, wurde 2024 die PitchOne-Produktfamilie erweitert: Mit der neuen PitchOne Size1+ steht nun eine Variante mit 25-30% erhöhter Leistungsdichte1 zur Verfügung. Sie ist speziell für größere Anlagentypen konzipiert, die ein höheres Antriebsdrehmoment erfordern. Parallel dazu wurde die Entwicklung des PitchOne Size 2 gestartet, welcher gezielt für Onshore- und Offshore-Anlagen im Bereich von 6 bis 15 MW ausgelegt ist. Die Produkterweiterungen des PitchOne ermöglichen es OEMs, selbst bei zunehmenden Anlagenleistungen auf die bewährte Technologieplattform zurückzugreifen – inklusive Safety-Zertifizierung, modularer Bauweise und maximaler Flexibilität im Engineering2.
Diese technologischen Fortschritte führen zu einem entscheidenden Kostenvorteil über die gesamte Lebensdauer der Anlage – ein zentraler Hebel zur Senkung der Stromgestehungskosten (LCOE), wie sie in der Fraunhofer ISE Studie 2024 für Onshore-Windkraft mit bis zu 3,7 €Cent/kWh prognostiziert werden.
Kostenvorteile elektrischer Pitch-Systeme – auf einen Blick
Materialeinsparung
- Reduzierte Turmschwingungen durch profilierte Sicherheitsfahrt → geringere Ermüdungslasten.
- Ermöglicht dünnere Stahlwände, leichtere Komponenten und kleinere Verbindungselemente. Der Einsatz des PitchOne kann zu einer Reduktion der Leistungskomponenten um bis zu 20% führen.
Weniger mechanische Komponenten
- Keine mechanische Hauptbremse nötig – aerodynamisches Abbremsen über Pitch-System.
- Geringerer Wartungsaufwand und weniger Verschleißteile.
Optimierte Energieausbeute
- Präzise Steuerung des Anstellwinkels → maximale Effizienz bei wechselnden Windbedingungen.
- Höherer Jahresenergieertrag (AEP) durch kontinuierliche Leistungsoptimierung.
Geringere Betriebs- und Wartungskosten
- Keine Hydraulikflüssigkeiten, Filter oder Druckspeicher.
- Integrierte Zustandsüberwachung ermöglicht vorausschauende Wartung.
Vorteile im Retrofit und bei Neuanlagen
- Einfache Integration in die Windenergieanlage
- Reduzierte Installationszeit durch modulare Bauweise und standardisierte Komponenten. Beispielsweise kann bei unserem PitchOne die Montagezeit der PitchBox (inkl. Energiespeicher) im Vergleich zum PitchMasterII+ (ohne Energiespeicher) von 5 auf 2,5 Stunden halbiert werden.
Pitch-geregelte Anlauf- und Abschaltwindgeschwindigkeit
Die zentrale Steuerung einer Windenergieanlage (WEA) überwacht kontinuierlich die Windgeschwindigkeit und passt den Anstellwinkel der Rotorblätter über das Pitch-System dynamisch an. Ziel ist es, die Anlage stets im optimalen Betriebsbereich zu halten.
- Bei sehr schwachem Wind – typischerweise unter 2,5 m/s – ist ein wirtschaftlicher Betrieb nicht möglich. In diesem Fall werden die Rotorblätter in eine Trudelstellung gebracht, um die Anlage im Leerlauf zu halten und mechanische Belastungen zu minimieren.
- Im Bereich mittlerer Windgeschwindigkeiten, etwa zwischen 12 und 25 m/s, sorgt die Pitch-Regelung dafür, dass die Rotorblätter so angestellt werden, dass die Auftriebskraft reduziert wird. Dadurch kann die Nennleistung der Anlage konstant gehalten werden, ohne dass es zu einer Überlastung kommt.
- Bei sehr starkem Wind – ab etwa 25 m/s – wird die Anlage aus Sicherheitsgründen schließlich abgeschaltet, um eine mechanische Überbeanspruchung durch Überdrehzahl zu vermeiden. In diesem Fall bringt das Pitch-System die Rotorblätter in eine Fahnenstellung, wodurch der Rotor aerodynamisch abgebremst wird.
Zusammenfassend kann man sagen, dass Pitch-Systeme eine aerodynamische Abbremsung des Rotors ohne mechanische Hauptbremse ermöglichen und somit für eine konstante und optimale Drehzahl sorgen. Dies reduziert Drehmomentschwankungen und trägt zu einem insgesamt geräuscharmen Betrieb bei. Pitch- und YAW-Systeme leisten damit einen entscheidenden Beitrag zur Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Langlebigkeit moderner Windenergieanlagen.
Pitch-Control- und Yaw-Systeme gewährleisten eine bestmögliche Leistung von Windenergieanlagen.
Yaw-Systeme: Präzise Gondelsteuerung durch dynamische Synchronisierung
Yaw-Systeme, auch als Azimut-Systeme bezeichnet, übernehmen die Windrichtungsnachführung moderner Windenergieanlagen. Sie sorgen dafür, dass die Gondel jederzeit exakt in Richtung des herrschenden Winds ausgerichtet ist. Dadurch kann der Rotor optimal angeströmt werden, was sich direkt auf den Energieertrag auswirkt. Der technologische Standard sind heute geregelte Mehrachs-Antriebssysteme, wie unsere SmartYAW Lösung auf Basis der KeDrive D3 Plattform mit dynamischer Synchronisierung. Diese Systeme verteilen die mechanischen Lasten gleichmäßig auf mehrere Antriebe und ermöglichen ein besonders sanftes Beschleunigen und Verzögern der Gondelbewegung.
Vorteile gegenüber konventionellen Konzepten:
- Gleichmäßige Lastverteilung reduziert mechanischen Verschleiß an Getrieben, Lagern und dem Turm
- Höherer Energieertrag durch ständig exakte Windnachführung
- Verkürzte Reaktionszeiten auf Windrichtungsänderung durch schnelle, koordinierte Bewegungen
- Verzicht auf hydraulisches Bremssystem möglich, dadurch verringerte Wartungskosten
Ein besonders wirtschaftlicher Vorteil ergibt sich, wenn auf ein hydraulisches Bremssystem verzichtet werden kann. Dies reduziert nicht nur das Gewicht und die Komplexität der Anlage, sondern spart auch Wartungskosten und Verbrauchsmaterialien. Voraussetzung dafür ist jedoch eine frühzeitige Integration des Yaw-Systems in das Gesamtsicherheitskonzept der Windenergieanlage.
Darüber hinaus bieten moderne Antriebssysteme wie KEBA SmartYaw eine hohe Leistungsdichte, aktive Energierückspeisung und präzise Rückmeldung über robuste Drehgeber. Diese Kombination steigert nicht nur die Betriebssicherheit und Verfügbarkeit, sondern verhindert auch kostenintensive Stillstände. Angesichts einer typischen Lebensdauer von 20 bis 25 Jahren ist das ein entscheidender Faktor für die Gesamtrentabilität einer Windenergieanlage.Bold
Fazit: Mehr Leistung bei weniger Aufwand
Windenergieanlagen zählen heute zu den kosteneffizientesten Technologien im Energiemix. Ihre geringen Stromgestehungskosten machen sie zu einem zentralen Baustein der Energiewende und zu einer wettbewerbsfähigen Alternative gegenüber konventionellen Kraftwerken. Diese Kosten sind jedoch stark abhängig von den jeweiligen Standortbedingungen, wie Windhäufigkeit, Turmhöhe und Anlagengröße. Um unter diesen Bedingungen eine maximale Energieausbeute und eine konstante Netzeinspeisung zu gewährleisten, kommen moderne Pitch- und YAW-Systeme zum Einsatz. Sie sorgen dafür, dass die Rotorblätter stets im optimalen Anstellwinkel stehen und die Gondel präzise in die Windrichtung ausgerichtet ist. Dadurch wird die Anlage nicht nur effizienter, sondern auch mechanisch geschont. Diese Systeme tragen wesentlich dazu bei, die Lebensdauer der Anlage zu verlängern, Wartungskosten zu senken und teure Ausfallzeiten zu vermeiden. Gleichzeitig ermöglichen sie eine präzise Regelung bei wechselnden Windverhältnissen und eine optimierte Leistungsabgabe, was sich direkt positiv auf die Stromgestehungskosten auswirkt.
1 abhängig vom betrachteten Parameter.
2 Wenn Sie genauer erfahren möchten, wie intelligenter Software-Lösungen in Windenergieanlagen dazu beitragen die Materialbelastung der Turbine zu verringern und damit Kosten zu senken, lesen sie unseren Artikel: Wie können Software-Features zur Sicherheit von Windenergieanlagen beitragen?
