Energiebedarf und Betriebskosten beurteilen
Berechne den Energiebedarf von IT-Systemen und beziehe laufende Kosten nachvollziehbar in eine Auswahlentscheidung ein.
Was du nach dieser Lektion kannst
Ein Kulturzentrum will 18 ältere Arbeitsplatzrechner ersetzen. Zwei Geräte erfüllen die fachlichen Anforderungen. Das günstigere Modell braucht im Betrieb mehr elektrische Energie, das teurere ist sparsamer. Welches Angebot ist über fünf Jahre wirtschaftlicher?
Für eine belastbare Antwort reicht weder der Kaufpreis noch die Wattangabe auf dem Netzteil. Du brauchst ein Modell, das Leistung, Nutzungszeit und Strompreis zusammenführt. Danach kannst du die laufenden Kosten mit den Anschaffungskosten vergleichen.
Nach dieser Lektion kannst du:
- Strom, Spannung, Leistung und Energie auseinanderhalten,
- Energiebedarf und Energiekosten über einen Zeitraum berechnen,
- Wirkungsgrad und unterschiedliche Betriebszustände passend berücksichtigen,
- eine Auswahl über die geplante Nutzungsdauer begründen.
Die Lektion gehört zu Lernfeld 2 und damit zu den gemeinsamen Grundlagen der Fachinformatik. Der interne Prüfungskatalog nennt Energieverbrauch, Wirkungsgrad, Energiekosten und Betriebskosten als Themen des ersten Teils der Abschlussprüfung. Daraus folgt keine Vorhersage für einen bestimmten Prüfungstermin.
Vier Größen erfüllen unterschiedliche Aufgaben
Bevor wir die Angebote vergleichen, ordnen wir die Größen. Sie hängen zusammen, beschreiben aber nicht dasselbe.
Stromstärke gibt an, wie viel elektrische Ladung pro Zeit fließt. Ihr Formelzeichen ist I, ihre Einheit Ampere (A). Spannung beschreibt den elektrischen Potenzialunterschied, der den Stromfluss antreibt. Ihr Formelzeichen ist U, ihre Einheit Volt (V).
Aus Spannung und Stromstärke ergibt sich bei Gleichstrom die elektrische Leistung:
P = U × ILeistung wird in Watt (W) angegeben. Sie beschreibt, wie viel Energie pro Zeit umgesetzt wird. Ein USB-C-Netzteil liefert bei 20 Volt und 3,25 Ampere höchstens:
P = 20 V × 3,25 A = 65 WDie 65 Watt sind eine Leistung, noch keine Energiemenge. Erst die Nutzungszeit macht daraus Energie:
E = P × tLäuft ein Gerät mit 65 Watt zwei Stunden, ergibt sich:
E = 65 W × 2 h = 130 Wh = 0,13 kWhEine Kilowattstunde (kWh) sind 1.000 Wattstunden. Für die Kosten multiplizierst du die Energie mit dem Preis pro Kilowattstunde:
Kosten = Energie in kWh × Preis in Euro pro kWhZuordnungsaufgabe
Ordne Größe und Bedeutung einander zu
Wähle für jede Aussage die passende physikalische Größe.
Richtig zugeordnet. Prüfe diese Zuordnung noch einmal.
Richtig zugeordnet. Prüfe diese Zuordnung noch einmal.
Richtig zugeordnet. Prüfe diese Zuordnung noch einmal.
Richtig zugeordnet. Prüfe diese Zuordnung noch einmal.
von 4 richtig
Spannung und Stromstärke bestimmen die Leistung. Erst zusammen mit der Nutzungszeit wird aus der Leistung eine Energiemenge.
Vom Tagesprofil zum Jahresbedarf
Für das Kulturzentrum vergleichen wir zwei Arbeitsplatzrechner. Beide sind für Büroarbeit, Veranstaltungsplanung und den Betrieb der Kassenanwendung geeignet. Die IT-Abteilung misst das folgende typische Tagesprofil:
| Angabe | Modell Basis | Modell Eco |
|---|---|---|
| Anschaffung pro Gerät | 690,00 Euro | 755,00 Euro |
| Leistung im aktiven Betrieb | 64 W | 42 W |
| Leistung im Ruhemodus | 4 W | 2 W |
| Aktiver Betrieb pro Arbeitstag | 7 h | 7 h |
| Ruhemodus pro Arbeitstag | 2 h | 2 h |
Es werden 18 Geräte an 250 Arbeitstagen pro Jahr eingesetzt. Als Rechenannahme verwenden wir einen konstanten Strompreis von 0,34 Euro pro Kilowattstunde. Das ist kein allgemeingültiger Marktpreis, sondern ein festgelegter Wert für dieses Beispiel.
Schritt 1: Energie eines Geräts pro Tag
Für Modell Basis rechnest du die Betriebszustände getrennt:
Aktiver Betrieb: 64 W × 7 h = 448 Wh
Ruhemodus: 4 W × 2 h = 8 Wh
Tagesbedarf: 456 Wh = 0,456 kWhModell Eco benötigt:
Aktiver Betrieb: 42 W × 7 h = 294 Wh
Ruhemodus: 2 W × 2 h = 4 Wh
Tagesbedarf: 298 Wh = 0,298 kWhDie getrennte Rechnung ist wichtig. Ein Gerät läuft selten den ganzen Arbeitstag mit derselben Leistung. Wenn eine Aufgabe mehrere Betriebszustände nennt, berechnest du jeden Zustand einzeln und addierst die Energiemengen.
Schritt 2: Bedarf aller Geräte pro Jahr
Für Modell Basis ergibt sich:
0,456 kWh × 250 Tage × 18 Geräte = 2.052 kWh pro JahrRechenaufgabe
Berechne den Jahresbedarf von Modell Eco
Nutze 0,298 kWh pro Gerät und Arbeitstag, 250 Arbeitstage und 18 Geräte. Gib das Ergebnis in Kilowattstunden an.
Das Ergebnis liegt im richtigen Bereich.
Das Ergebnis passt noch nicht.
0,298 kWh × 250 × 18 = 1.341 kWh. Die Einheit kWh bleibt erhalten, weil Tage und Geräte hier reine Anzahlen im Rechenmodell sind.
Schritt 3: Jährliche Energiekosten
Jetzt wird aus dem Energiebedarf ein Kostenwert:
| Rechnung | Modell Basis | Modell Eco |
|---|---|---|
| Jahresbedarf | 2.052 kWh | 1.341 kWh |
| Strompreis als Annahme | 0,34 Euro/kWh | 0,34 Euro/kWh |
| Energiekosten pro Jahr | 697,68 Euro | 455,94 Euro |
Modell Eco spart unter diesen Annahmen 241,74 Euro pro Jahr. Diese Zahl gilt für alle 18 Geräte zusammen.
Der Wirkungsgrad erklärt Verluste
Ein Netzteil nimmt Energie aus der Stromquelle auf und stellt sie den Komponenten in einer anderen Form bereit. Dabei entstehen Verluste, meist als Wärme. Der Wirkungsgrad η beschreibt das Verhältnis von nutzbarer Ausgangsleistung zu aufgenommener Eingangsleistung:
η = P_aus / P_einWenn du Eingangsleistung und Energiekosten suchst, stellst du die Formel um:
P_ein = P_aus / ηEin Rechner benötigt für seine Komponenten 90 Watt Ausgangsleistung. Bei einem Wirkungsgrad von 75 Prozent rechnest du mit 0,75, nicht mit 75:
P_ein = 90 W / 0,75 = 120 W
Verlustleistung = 120 W - 90 W = 30 WEin Netzteil mit 90 Prozent Wirkungsgrad nimmt für dieselbe Ausgangsleistung 100 Watt auf. Seine Verlustleistung beträgt 10 Watt.
Schnellcheck
Prüfe drei Entscheidungen aus der Kalkulation
Entscheide dich bei jeder Frage. Du bekommst die Erklärung direkt nach deiner Antwort.
Geschafft
von 3
Situationen richtig eingeordnet.
Anschaffung und Betrieb gemeinsam betrachten
Der Kaufpreis von Modell Eco liegt 65 Euro pro Gerät höher. Für 18 Geräte beträgt der Aufpreis:
65 Euro × 18 = 1.170 EuroDie jährliche Ersparnis bei den Energiekosten beträgt 241,74 Euro. Die einfache Amortisationsdauer zeigt, wann die aufsummierte Ersparnis den Aufpreis erreicht:
Amortisationsdauer = Mehrinvestition / jährliche Ersparnis
Amortisationsdauer = 1.170 Euro / 241,74 Euro pro Jahr
Amortisationsdauer ≈ 4,84 JahreBei der geplanten Nutzungsdauer von fünf Jahren wird der Mehrpreis unter den Annahmen knapp ausgeglichen. Ein einfacher Kostenvergleich ergibt:
| Kosten über fünf Jahre | Modell Basis | Modell Eco |
|---|---|---|
| Anschaffung für 18 Geräte | 12.420,00 Euro | 13.590,00 Euro |
| Energiekosten für fünf Jahre | 3.488,40 Euro | 2.279,70 Euro |
| Summe | 15.908,40 Euro | 15.869,70 Euro |
Modell Eco liegt nach fünf Jahren rechnerisch 38,70 Euro vorn. Der Abstand ist im Verhältnis zur Gesamtsumme klein. Eine belastbare Empfehlung nennt deshalb die Annahmen und prüft weitere relevante Unterschiede, etwa Wartung, Garantie, Reparierbarkeit, Geräuschentwicklung und Leistungsreserven.
Diese vereinfachte Rechnung ist eine Form der Betrachtung über die Gesamtkosten der Nutzung. Häufig wird dafür der englische Begriff Total Cost of Ownership (TCO) verwendet. Ein vollständiges TCO-Modell kann mehr Kostenarten enthalten als Kauf und Energie.
Mehrfachauswahl
Welche Angaben können die Entscheidung verändern?
Wähle alle Angaben, die du vor einer Beschaffung zusätzlich prüfen würdest.
Alle passenden Antworten gefunden.
Die Auswahl ist noch nicht vollständig richtig.
Messprofil, Preisannahme und weitere Betriebskosten beeinflussen das Ergebnis. Die Gehäusefarbe wäre nur dann relevant, wenn sie als begründete Kundenanforderung festgelegt wurde.
Die Kalkulation hat klare Grenzen
Eine Rechnung wird nicht dadurch zuverlässig, dass sie viele Nachkommastellen enthält. Entscheidend ist, ob die Eingangsdaten zum Einsatz passen.
Prüfe deshalb vor einer Empfehlung:
- Leistungswert: Ist es ein Maximalwert, ein Messwert oder ein Durchschnittswert?
- Betriebsprofil: Welche Zustände treten auf und wie lange dauern sie?
- Zeitraum: Wie viele Arbeitstage und wie viele Jahre sind realistisch?
- Preisannahme: Welcher Preis gilt für die Kalkulation und wie empfindlich ist das Ergebnis gegenüber Änderungen?
- Kostenumfang: Fehlen Wartung, Lizenzen, Kühlung, Ausfälle oder Entsorgung?
- Mindestanforderungen: Erfüllen beide Varianten die benötigte Leistung, Sicherheit und Kompatibilität?
Eine wirtschaftliche Auswahl darf eine technische Mindestanforderung nicht überstimmen. Wenn ein sparsames Gerät die benötigte Anwendung nicht zuverlässig ausführt, ist es keine geeignete Variante.
Wende das Vorgehen auf einen neuen Fall an
Transferaufgabe
Vergleiche zwei Monitore für einen Schulungsraum
Ein Schulungsraum benötigt 24 Monitore. Modell Klar kostet 178 Euro pro Gerät und nimmt im Betrieb 27 W auf. Modell Spar kostet 194 Euro und nimmt 20 W auf. Die Monitore laufen an 210 Tagen pro Jahr jeweils 6 Stunden. Rechne mit 0,36 Euro pro kWh und einer Nutzungsdauer von 6 Jahren. Berechne Energiebedarf, Energiekosten und Gesamtkosten beider Varianten. Begründe anschließend deine Empfehlung.
Musterlösung vergleichen
Musterlösung: Modell Klar benötigt pro Jahr 27 W × 6 h × 210 × 24 = 816.480 Wh = 816,48 kWh. Das kostet 816,48 kWh × 0,36 Euro/kWh = 293,93 Euro pro Jahr. Modell Spar benötigt 20 W × 6 h × 210 × 24 = 604,8 kWh und kostet damit 217,73 Euro pro Jahr.
Die Anschaffung kostet bei Modell Klar 24 × 178 Euro = 4.272 Euro, bei Modell Spar 24 × 194 Euro = 4.656 Euro. Über sechs Jahre ergeben sich gerundet:
- Modell Klar:
4.272 Euro + 6 × 293,93 Euro = 6.035,58 Euro - Modell Spar:
4.656 Euro + 6 × 217,73 Euro = 5.962,38 Euro
Modell Spar ist unter den Annahmen über sechs Jahre rund 73,20 Euro günstiger. Weil die Differenz klein ist, sollte die Empfehlung zusätzlich Bildqualität, Ergonomie, Garantie, Reparierbarkeit und das reale Nutzungsprofil berücksichtigen. Beide Geräte müssen zuerst alle Mindestanforderungen erfüllen.
Das nimmst du mit
Leistung und Energie beantworten verschiedene Fragen. Leistung in Watt beschreibt den momentanen Energieumsatz. Energie in Kilowattstunden verbindet die Leistung mit der Zeit. Erst mit einem Preis pro Kilowattstunde entstehen Energiekosten.
Für IT-Systeme rechnest du realistische Betriebszustände getrennt. Wenn ein Wirkungsgrad gegeben ist, unterscheidest du zwischen nutzbarer Ausgangsleistung und aufgenommener Eingangsleistung. Für eine Auswahl über mehrere Jahre vergleichst du anschließend Anschaffung und laufende Kosten. Das Ergebnis bleibt nur so gut wie die Annahmen, auf denen es beruht.
Quellenbasis und Abgrenzung
Die berufliche Handlung folgt Lernfeld 2 des KMK-Rahmenlehrplans. Die Fachinformatikerausbildungsverordnung ordnet das Beurteilen marktgängiger IT-Systeme der gemeinsamen Ausbildung zu. § 9 verbindet den ersten Teil der Abschlussprüfung mit dem Auswählen und Beurteilen von IT-Systemen unter technischen, ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten.
Der interne AP1-Prüfungskatalog konkretisiert die Themenbreite mit Leistung, Wirkungsgrad, Energie, Energiekosten und Betriebskosten. Eine Prüfung aus Herbst 2021 wurde nur daraufhin ausgewertet, welche Aufgabenform wiederkehrt: Varianten anhand von Leistungsaufnahme, laufenden Kosten und Amortisation vergleichen. Szenario, Geräte, Zeiträume, Preise und Aufgaben dieser Lektion sind neu erstellt. Sie bilden keine echte Prüfungsaufgabe ab und sagen keine künftigen Prüfungsinhalte voraus.
Die Einheiten und Zusammenhänge orientieren sich am Internationalen Einheitensystem des BIPM. Arbeiten an Netzspannung gehören nicht zu dieser Lektion. Elektrische Installationen dürfen nur im Rahmen der jeweiligen Qualifikation und Sicherheitsvorgaben ausgeführt werden.
Belegmatrix
- Strom, Spannung, Leistung und Energie unterscheiden: LF2, A3 und T1; belegt durch KMK-Rahmenlehrplan, FIAusbV § 9 und BIPM SI Brochure; umgesetzt mit USB-C-Beispiel, Formelweg und Zuordnungsaufgabe.
- Energiebedarf über einen Nutzungszeitraum berechnen: LF2, A3 und T1; belegt durch AP1-Prüfungskatalog, Themenkreis 03, und das abstrahierte Aufgabenmuster aus AP1 Herbst 2021; umgesetzt mit Tagesprofil, Jahresrechnung und Zahlenaufgabe.
- Wirkungsgrad und Betriebszustände berücksichtigen: LF2, A3 und T1; belegt durch AP1-Prüfungskatalog, Themenkreis 03, und BIPM SI Brochure; umgesetzt mit Netzteilbeispiel und Entscheidungsquiz.
- Anschaffungs- und Betriebskosten abwägen: LF2, A3 und T1; belegt durch FIAusbV § 9, AP1-Prüfungskatalog, Themenkreise 01 und 04, und das abstrahierte Aufgabenmuster aus AP1 Herbst 2021; umgesetzt mit Fünfjahresvergleich, Mehrfachauswahl und Transferaufgabe.
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