(english version of the electricity cost calculator article is now on PiCockpit)

Nutzen Sie das interaktive Tool um den Stromverbrauch Ihres Pis zu schätzen, oder lesen Sie den Artikel um zu verstehen wie wir auf diese Zahlen kommen.

Ein Kunde fragte mich:

ich möchte einen Raspi für folgende Zwecke an meine Fritzbox 7590 anschließen:
a) Pi Hole zum Ausfiltern von Werbung auch und vor allem für das WLAN
b) Baikal-Server für Carddav und Caldav-Zwecke

Welcher wäre am besten im Hinblick auf Wattverbrauch, Wärmeentwicklung etc?

Meine Antwort erforderte Recherche:

Für mich ist klar dass der Pi 4 / 4 GB mit einem FLIRC Gehäuse der Server meiner Wahl wäre. Aber konnte ich den Pi 4 / 4 GB dem Kunden guten Gewissens empfehlen? Kann man sich einen Pi 4 / 4 GB im Dauerbetrieb leisten?

Die Antwort wird Sie überraschen. Sie hat mich selbst überrascht!

Grundlagen

Zunächst aber einige Grundlagen für diejenigen unter uns die mit Strom seit der Schulphysik nicht mehr viel zu tun hatten.

• Ampere: das ist die Stromstärke (wie viel Strom fließt durch - kann man sich als die Zahl der fließenden Elektronen pro Sekunde vorstellen)
• Volt: das ist die Spannung (kann man sich als den Druck vorstellen unter dem die Elektronen fließen - wie Wasserdruck)
• zusammen ergeben Volt und Ampere das Watt, die abgegebene Leistung: 1 W = 1 V * 1 A (Leistung ist als Arbeit pro Zeit definiert)

Wichtig ist dabei dass das Watt unabhängig von der Spannung ist, sowie unabhängig davon ob es sich um Gleichstrom oder Wechselstrom handelt - es ist die abgegebene Leistung.

Die Stadtwerke rechnen in kWh ab - kilowattstunden. D.h. die Leistung über die Zeit zusammengerechnet, die insgesamt geleistete Arbeit durch den Strom.

Pi 4 Stromverbrauch

Der Pi 4 ist keine Glühbirne - er verbraucht (und liefert) nicht kontinuierlich dieselbe Leistung. Je nachdem, was man mit dem Pi 4 macht, werden Teile seines SoC (der silberne Chip am Pi, der das "Rechenwerk" für alles enthält) aktiviert und deaktiviert.

Man kann den Pi 4 hier auch mit einem Menschen vergleichen: wenn der Mensch sich ausruht, beispielsweise einen Film auf seinem KODI Mediencenter anschaut, braucht er wesentlich weniger Energie als wenn er einen Marathon läuft. Und es ist dennoch der gleiche Mensch.

Daher ist es wichtig den Leerlauf Verbrauch des Pi 4 anzuschauen, aber auch den Verbrauch in einem gut ausgelasteten Zustand.

Ferner ein wichtiges Wort vorab: externe Komponenten (USB Geräte die Strom ziehen, externe Festplatten / SSDs bspw.) sind hier nicht hereingerechnet - aber jeder kann gemäß den Formeln die ich hier angebe einfach selbst nachrechnen.

Ich nutze im folgenden die Messungen von Alex Eames von Raspi.TV als Rechengrundlage. Danke Alex!

Der Pi 4 zieht:

• 575 mA im Leerlauf
• 885 mA während er LXDE lädt
• 600 mA um ein 1080p Video anzuzeigen
• 640 mA um ein 1080p Video aufzunehmen

Wir nehmen die Eckwerte, 575 mA und 885 mA, um einen Bereich zu definieren innerhalb dessen der Pi 4 Stromverbrauch wahrscheinlich durchschnittlich real liegen wird.

Nachdem das offizielle Netzteil (siehe unten) mit 5,1 V betrieben wird, können wir die mA (das m steht für milli, also ein Tausendstel) Werte in Watt umrechnen:

• 2,93 W im Leerlauf
• 4,51 W während der Pi 4 LXDE lädt

Die vom Pi 4 benötigte Grundleistung liegt also zwischen ca. 3 und 5 W.

Das Netzteil

Einen wichtigen Faktor bei der Ermittlung des realen, vom Stromanbieter bezogenen Stroms dürfen wir nicht vergessen!

Das offizielle Raspberry Pi Netzteil ist sehr effizient, aber nicht perfekt. Es hat gewisse Effizienzverluste, die für seine eigene Elektronik benötigt werden.

Es wurde nach dem sogenannten Energielevel VI (einem amerikanischen Standard) zertifiziert. Hier gibt es ein PDF mit ausführlichen und technischen Infos.

Dieser Standard wurde ins Leben gerufen nachdem mit Erschrecken festgestellt wurde, dass viele ineffiziente Netzteile (mit Linearwandlern) bis zu 50 % Strom selbst verbrauchen - egal ob das Gerät am Netzteil aktiv ist oder nicht! Es wurde vorhergesagt dass um 2010 herum in den USA die Netzteile alleine ca. 30 % des Stromverbrauchs verursachen würden. Daher wurde dieser Standard ins Leben gerufen.

Das Netzteil hat eine Nennspannung: 5,1 V - die es ausgibt, und eine maximale Stromstärke die es liefern kann (für das offizielle Pi 4 USB C Netzteil sind das 3 A). Auch hier können wir die maximal abgegebene Leistung ermitteln - das sind 15,5 W ( 5,1 V * 3 A).

Nach dem Standard darf das offizielle Pi 4 Netzteil im Leerlauf - d.h. ohne angeschlossenen Raspberry Pi - maximal 0,1 Watt aufnehmen.

Der Standard schreibt für das Pi 4 Netzteil bei angeschlossenem Pi 4 vor, dass die Effizienz mindestens den folgenden Wert haben muss:

0.0834 x ln ( Pout) - 0.0014 x Pout + 0.609

Das ist der natürliche Logarithmus, Pout ist dabei die Ausgangsleistung. Zum Glück gibt es Excel, das für uns die Werte berechnet.

• mindestens 69 % Effizienz für Pi 4 Leerlaufbetrieb
• mindestens 73 % Effizienz für Pi 4 während es LXDE lädt

Wenn der Pi 4 härter arbeitet, arbeitet das Netzteil auch effizienter (bzw. muss es nach Standard effizienter arbeiten) - schon mal eine interessante Erkenntnis!

Die tatsächlich erreichten Werte des Pi 4 Netzteils gemäß Datenblatt sind minimum 72 % bei 10 % Last, sowie minimum 81 % bei 100 % / 75 % / 50 % / 25 % Last), wir rechnen aber mit den gemäß Standard erfüllten Werten weiter da diese für jedes VI zertifizierte Netzteil gelten.

Aus der Steckdose werden also tatsächlich gezogen:

• 4,22 W Leistung im Leerlauf
• 6,20 W Leistung während LXDE geladen wird

Auf das Jahr gerechnet

Ein Tag hat 24 Stunden, das Jahr hat 365 Tage (meistens). Die Kilowattstunden sind einfach das was sie sagen: 1000 W * Zahl der Stunden:

• 36,98 kWh Stromverbrauch im Leerlauf
• 54,28 kWh Stromverbrauch um LXDE zu laden
• 0,88 kWh wenn das Netzteil ohne Pi 4 365/24/7 betrieben werden würde

Und jetzt in Geld bitte

Der Strompreis fluktuiert, und gehört in Deutschland mit zu den höchsten in Europa - auch auf das Einkommen bezogen. Ich habe einen Strompreis von 32,80 Cent pro kWh angenommen. Das scheint mir nach diesen zwei Quellen realistisch. Der Preis könnte für Sie niedriger sein, bitte rechnen Sie es mit Ihrem lokalen Strompreis um.

Sind Sie bereit für das überraschende Resultat?

• 12,13 € Stromkosten für den Pi 4 im Leerlauf 365 / 24 / 7
• 17,80 € Stromkosten für den Pi 4 unter Dauerlast, 365 / 24 / 7 (das ganze Jahr durch!)
• 00,29 € Stromkosten für das USB C Netzteil wenn es ohne Pi in der Steckdose steckt, ein ganzes Jahr Lang

Und das inklusive Mehrwertsteuer!

Die überraschende Botschaft dieses Artikels (die mich selbst vom Hocker gerissen hat, obwohl ich ihn schreibe):

Ein Pi 4 lohnt sich jetzt für Sie rein finanziell gesehen um Strom zu sparen!

Dieser Artikel von codinghorror gibt uns einen groben Anhaltspunkt was ein Desktop-Rechner im Vergleich verbraucht. Der Artikel ist aus 2007, und spricht von zwischen 120 und 150 W. Nehmen wir fairerweise an, dass Sie einen besonders sparsamen x86 Rechner als mini-Server am Start haben (vielleicht ein ausgemustertes Notebook). Und dass dieser (ab Steckdose) nur das 10-fache eines Pi 4 verbraucht:

• 62 W im Durchschnitt
• 543 kWh pro Jahr
• 178,14 € Stromkosten im Jahr für Ihren besonders sparsamen x86 Server

Der Unterschied, rein beim Stromverbrauch, sind 160,34 €! Je nachdem wie "fett" Ihr Server ausgelegt ist, wie ineffizient sein Netzteil ist, könnten da noch deutlich höhere Ersparnisse zusammenkommen!

Fairerweise muss ich auch sagen dass es Intel Atom SoCs gibt, die weniger Strom verbrauchen - gemäß diesem Artikel sind wir da bei 10 - 15 W idle mit dabei - immer noch das zwei bis dreifache eines Pis).

Unser Pi 4 Comfort Set amortisiert sich bereits im ersten Jahr

Bei Dauerbetrieb amortisiert sich so zum Beispiel unser Pi 4 Comfort Set bereits im ersten Jahr gegenüber einem klassischen Desktop PC als Server:

• Pi 4 Comfort Set: 95 €
• Versand: 4,99 €
• Strom: 17,80 €
• Ausgaben gesamt: 117,79 €
• Ihre Ersparnis gegenüber x86: 60,35 €

Ja! Bereits im ersten Jahr sparen Sie unter dem Strich Geld durch den Pi 4 gegenüber einem x86 Rechner, sogar wenn man die Anschaffungskosten mit hereinrechnet! Kaufen Sie doch mit der Ersparnis gleich einem Freund einen Pi 4 / 4 GB als Geschenk - damit schenken Sie ihm pures Geld, in Stromkostenersparnis, Jahr für Jahr :-)

Der Pi 4 macht den Planeten grüner - Zeit unsere alten x86 Server die sich langweilen und Strom verbraten loszuwerden - alleine durch die Stromersparnis kann sich die Neuanschaffung eines Pi 4 lohnen!

Bild von Karsten Wurth @ unsplash

Ergänzende Infos:

1 Ampere ist definiert als 1 Coulomb pro Sekunde durch den Leiterquerschnitt. Das Couloumb wiederum ist über die Elementarladung e = 1,602 176 634 · 10⁻¹⁹ C definiert. Bei einem Elektronenfluss (wie üblich im Haushalt beim Raspberry Pi :-)) entspricht 1 A ca 6,2 · 10¹⁸ (oder 6,2 Trillionen) Elektronen pro Sekunde.