Energie

Energie ist die Fähigkeit eines Systems, Arbeit zu verrichten oder Wärme abzugeben. In der IT und Elektrotechnik spielt sie eine zentrale Rolle für den Betrieb von Geräten und Rechenzentren.

Energieeffizienz

Beschreibt das Verhältnis von Nutzen (z. B. Rechenleistung, Dienstleistung) zur dafür eingesetzten Energie: Je weniger Energie für dieselbe Leistung nötig ist, desto effizienter.
Ziel ist es, Energieverluste zu minimieren und Betriebskosten zu senken.
Maßnahmen: Effiziente Netzteile, Kühlungssysteme, Lastmanagement.
Rechenzentren: Die Kennzahl PUE (Power Usage Effectiveness) teilt den Gesamtenergieverbrauch des Rechenzentrums durch den Verbrauch der IT-Geräte, der Idealwert ist 1,0 (Details und Maßnahmen im Lernzettel "Umwelt und Nachhaltigkeit").

Strom (Elektrische Stromstärke, I)

Einheit: Ampere (A)
Gibt an, wie viel elektrische Ladung pro Sekunde durch den Leiterquerschnitt fließt (I = Q / t).
Formel: I = U / R (Stromstärke = Spannung / Widerstand) bzw. I = P / U (Stromstärke = Leistung / Spannung).

Widerstand (R)

Einheit: Ohm (Ω)
Gibt an, wie stark ein Leiter den Stromfluss hemmt.
Ohmsches Gesetz: R = U / I (Widerstand = Spannung / Stromstärke), umgestellt U = R · I.

Spannung (Elektrische Potenzialdifferenz, U)

Einheit: Volt (V)
Beschreibt die treibende Kraft, die den Strom durch einen Leiter bewegt.
Typische Spannungen: 230V (Haushalt), 12V/5V (IT-Geräte).
Formel: U = P / I (Spannung = Leistung / Stromstärke)
PC-Netzteil (ATX): Es wandelt 230 V Wechselspannung in Gleichspannungen um. Die Hauptschienen sind 12 V (CPU, Grafikkarte, Lüfter, Laufwerksmotoren), 5 V und 3,3 V, dazu 5 V Standby. Die Leistung je Schiene ergibt sich aus P = U · I, z. B. 12 V · 40 A = 480 W.

Leistung (Elektrische Leistung, P)

Einheit: Watt (W)
Gibt an, wie viel Energie pro Sekunde umgesetzt wird.
Formel: P = U x I (Leistung = Spannung × Stromstärke).

Wirkungsgrad (η)

Verhältnis von abgegebener zu zugeführter Leistung.
Formel:

\eta = \frac{P_{ab}}{P_{zu}} \times 100\%

Hohe Wirkungsgrade reduzieren Energieverluste und Betriebskosten.
Beispiel: Ein Netzteil mit 80 Plus Gold-Zertifizierung hat einen Wirkungsgrad von ca. 90%.

Die Differenz $P_{zu} - P_{ab}$ ist die Verlustleistung. Sie wird als Wärme abgegeben und muss zusätzlich weggekühlt werden.

Rechenbeispiel: Netzteil mit 80 % und 90 % Wirkungsgrad

Situation: Die Bauteile eines Servers benötigen 360 W ( $P_{ab}$ ). Der Server läuft 24/7, der Strompreis beträgt 0,25 €/kWh.

Netzteil mit 80 %: $P_{zu} = 360 \text{ W} / 0{,}8 = 450 \text{ W}$ , Verlustleistung 90 W
Netzteil mit 90 %: $P_{zu} = 360 \text{ W} / 0{,}9 = 400 \text{ W}$ , Verlustleistung 40 W
Differenz: $50 \text{ W} = 0{,}05 \text{ kW} \cdot 8.760 \text{ h} = 438 \text{ kWh}$ pro Jahr
Kosten: $438 \text{ kWh} \cdot 0{,}25 \text{ €/kWh} = 109{,}50 \text{ €}$ pro Jahr

Ergebnis: Das effizientere Netzteil spart 109,50 € Stromkosten im Jahr und erzeugt weniger Abwärme.

Elektrische Arbeit (Energieverbrauch)

Die elektrische Arbeit E (auch W) ist die Energie, die ein Gerät in einer bestimmten Zeit aufnimmt. Sie ergibt sich aus Leistung mal Betriebsdauer:

E = P \cdot t

Einheit auf der Stromrechnung: Kilowattstunde (kWh). 1 kWh ist die Energie, die ein Gerät mit 1.000 W in einer Stunde aufnimmt (1 kWh = 1.000 Wh = 3,6 MJ).
Umrechnung: Watt durch 1.000 ergibt Kilowatt (350 W = 0,35 kW). Minuten durch 60 ergibt Stunden.
Ein Jahr hat 365 · 24 = 8.760 Stunden (Dauerbetrieb, 24/7).
Maßgeblich ist die aus der Steckdose aufgenommene Leistung $P_{zu}$ . Bei einem Netzteil mit Wirkungsgrad η gilt $P_{zu} = P_{ab} / \eta$ .
Standby: Auch ausgeschaltete Geräte nehmen oft noch einige Watt auf. Über viele Stunden summiert sich das. Abhilfe: schaltbare Steckdosenleisten, Energiesparmodi.

Stromkosten

\text{Stromkosten} = P \text{ (kW)} \cdot \text{Betriebsstunden (h)} \cdot \text{Strompreis (€/kWh)}

In Prüfungsaufgaben ist der Strompreis vorgegeben. In den Beispielen unten gilt der Beispielwert 0,25 €/kWh. Zur Orientierung 2026: kleine Gewerbekunden zahlen etwa 25 bis 27 ct/kWh netto, Haushalte im Schnitt rund 37 ct/kWh.

Rechenbeispiel: Dauerbetrieb und Bürozeit

Situation: Ein Server nimmt 350 W auf und läuft rund um die Uhr. Ein Arbeitsplatz-PC mit Monitor nimmt 150 W auf und läuft 8 Stunden an 220 Arbeitstagen, in der übrigen Zeit 2 W im Standby.

Gerät	Rechnung	Energie pro Jahr	Kosten pro Jahr
Server (24/7)	$0{,}35 \text{ kW} \cdot 8.760 \text{ h}$	3.066 kWh	766,50 €
PC (Bürozeit)	$0{,}15 \text{ kW} \cdot 8 \text{ h} \cdot 220 = 0{,}15 \text{ kW} \cdot 1.760 \text{ h}$	264 kWh	66,00 €
PC (Standby)	$0{,}002 \text{ kW} \cdot (8.760 - 1.760) \text{ h}$	14 kWh	3,50 €
PC, falls er nie ausgeschaltet wird	$0{,}15 \text{ kW} \cdot 8.760 \text{ h}$	1.314 kWh	328,50 €

Ergebnis: Das Ausschalten nach Dienstschluss spart je PC 328,50 € - 66,00 € - 3,50 € = 259,00 € im Jahr.

Rechenbeispiel: Amortisation eines sparsameren Geräts

Situation: Ein alter Server (450 W, 24/7) soll durch ein neues Modell mit 200 W ersetzt werden. Das neue Gerät kostet 2.500 €.

Einsparung Leistung: $450 \text{ W} - 200 \text{ W} = 250 \text{ W} = 0{,}25 \text{ kW}$
Einsparung Energie: $0{,}25 \text{ kW} \cdot 8.760 \text{ h} = 2.190 \text{ kWh}$ pro Jahr
Einsparung Kosten: $2.190 \text{ kWh} \cdot 0{,}25 \text{ €/kWh} = 547{,}50 \text{ €}$ pro Jahr
Amortisationszeit = Anschaffungskosten / jährliche Einsparung: $2.500 \text{ €} / 547{,}50 \text{ €} \approx 4{,}57$ Jahre

Ergebnis: Allein über die Stromkosten hat sich der neue Server nach gut 4,5 Jahren (knapp 55 Monaten) bezahlt gemacht. Liegt die geplante Nutzungsdauer darunter, lohnt sich der Austausch aus Kostensicht nicht.