Was kostet mich der Pi 4 an Strom im Jahr? How much does power usage cost for the Pi 4?

Geposted von Maximilian Batz am

(english version below)

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.

English version

A customer asked me an innocent question:

I would like to use a Raspberry Pi for the two following purposes:

a) Pi Hole to filter ads 
b) Baikal-Server for Carddav and Caldav

Which Pi would you recommend, considering power usage, heat development, etc.?

My answer required some research:

For me it was clear that the Pi 4 / 4 GB  would be the server of my choice, of course with the FLIRC case for passive heat dissipation. No noise, no moving parts. GBit Ethernet, ... but could I recommend the Pi 4 to the customer in good conscience? Can people actually afford to operate the Pi 4 non-stop, 365 days a year, 24 / 7?

The answer will surprise you. I was surprised myself!

Basics

We'll start out for some basics for all those of us who have put high school physics behind them a long time ago:

  • Ampere: this is the power current (how much electrical power flows through a conductor or device - imagine this as number of electrons flowing through the pipe per second)
  • Volt: this is the voltage (you can imagine this as the pressure under which the electrons flow - similar to water pressure in a pipe. Same amount of water under different pressure can be pleasant in your bath tub... or cut through steel)
  • put together, Volt and Ampere yield Watt, the actual power (defined as work per second): 1 W = 1 V * 1 A

An important thing to keep in mind is that Watts are independent of the voltage, and independent of direct or alternating current being used (DC or AC) - it is the actually delivered power

Usually utilities charge in kWh - kilowatt hours. This is the power which is delivered is summed up across the time it was delivered. The kilowatt hours are the actual work the power utility delivered to your house. 

Pi 4 power usage

The Pi 4 isn't a light bulb. It does not use (and deliver) the same amount of power consistently over time. Depending on what you are using it for, parts of its SoC (the silver chip on the Pi, the ingenious device at the core of the magic of the Pi) will be turned on and off.  

The Pi 4 can also be compared to a human being: if the person is resting, for instance watching a movie on their KODI media centre, they need much less energy than if they would run a marathon. Still, it's the same person.

For this reason it is important to look at idle power consumption of the Pi 4, but also at the power consumption under heavy load. 

An important thing to also keep in mind before we start: this does not include external devices (USB devices which draw power, for instance external harddrives, SSDs, etc.) - but you can easily add them using the formulas I provide below.

I am using the power measurements of the excellent Alex Eames of Raspi.TV as base for my calculations. Thank you very much, Alex!

The Pi 4 draws the following currents:

  • 575 mA while idling
  • 885 mA while LXDE is being loaded
  • 600 mA to view 1080p video 
  • 640 mA to record 1080p video

We take the bottom and top values, 575 mA and 885 mA. Power usage of the Pi 4 averaged over time should be something in between. 

Because the official USB C power supply supplies 5,1 V, we can turn the mA (m is for milli, a thousandth) into Watts: 

  • 2,93 W while idling
  • 4,51 W while the Pi 4 is loading LXDE

The Pi 4 draws between 3 and 5 W on the average.

The power supply

We should not omit an important factor which plays into calculating the actual power drawn from the utility! The power supply itself. 

Even though the official USB C power supply is very efficient, it is not perfect. It uses up some power for it's own circuitry.

The USB C power supply was certified according to the Effieciency Marking Protocol (a standard introduced in the USA). Here's a PDF with more background information. 

This standard was launched after people were shocked to see that a lot of inefficient power supplies (using linear regulators) were using up to 50 % of the power themselves - independent of whether the device it was supposed to power was active or not! It was predicted that around 2010, the power supplies alone would use up to 30 % of the total power in the USA. Of course, something had to be done about this situation - which lead to this standard. 

The official power supply has a 5,1 V voltage, and a maximum of 3 A of current which it is able to provide. This is a maximum power of 15,5 W (5,1 V * 3 A) which it is able to supply to the Pi. Please keep in mind, we are working with averages above - the Pi will draw in a lot of power in very short bursts, which requires more than the 4,51 W to be available. Averaged over time, even under load, we should see the power draw Alex measured. Furthermore the power supply also has to power USB devices if you have any attached to the Pi, which is budgeted in. 

According to the standard (VI) the official Pi 4 power supply may draw a maximum of 0,1 W when idling itself - that is no Pi is attached.  (The actual value in the datasheet is 0,075 W maximum)

The standard further demands, that if the Pi 4 is beign powered, that the power conversion efficiency must be at least:

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

This is the natural logarithm, Pout is the power output to the Pi. Luckily, there's Excel which can crunch the numbers for us:

  • a minimum of 69 % efficiency for the Pi 4 when idling 
  • a minimum of 73 % efficiency for the Pi 4 while it is loading LXDE

If the Pi 4 is working hard, the power supply is required to be more efficient - an interesting insight! 

According to the datasheet of the Pi 4 power supply, the minimum efficiency at 10 % load is 72 %, and minimum of 81 % at 100 % / 75 % / 50 % / 25 % load. I will continue to use the values I calculated above, as they should be applicable to any other power supply with the VI certification. 

At the power socket, the Pi 4 actually draws:

  • 4,22 W power when idling
  • 6,20 W power while LXDE is loading

Calculated for a whole year

A day has 24 hours, the year has 365 days (most of the time). The kilowatt hours are what they say they are: 1000 W * amount of hours:

  • 36,98 kWh power usage when idling per year
  • 54,28 kWh power usage when loading LXDE per year
  • 0,88 kWh if the power supply for the Pi 4 would be plugged into the power socket 365/24/7 - without Pi. (Actual value even lower due to datasheet giving 0,075W maximum)

Please simply tell me how much it costs

The energy prices currently fluctuate. In Germany, they are amongst the highest in Europe - even considering income adjustment. I have used a price of 32,8 Cent pro kWh for the calculations, according to these two sources. The price might be lower for you - please redo the calculations in this case! 

I will also include pricing I've estimated for the UK - which is significantly lower. I've used this site as a source:

  • 13 pence per kWh on average
  • 20 % VAT
  • 1,17783 € / GBP
  • = 18,39 Euro-Cent per kWh

Are you ready for your mind to be blown?

  • 12,13 € power cost for the Pi 4 when idling 365 / 24 / 7
    • 6,80 € power cost in Great Britain
  • 17,80 € power cost for the Pi 4 under load, 365 / 24 / 7 (all the year long!) 
    • 9,98 € power cost in Great Britain
  • 00,29 € power cost for the USB C power supply, if it is simply plugged into the socket, no Pi, for a whole year
    • 0,16 € in Great Britain
    • note this value is actually even lower, due to the Raspberry Pi power supply being even more efficient!

And all this including the VAT! 

The surprising message of this blogpost (which I never expected myself, although I'm writing it!):

A Pi 4 is a clever investment to save money on power!

This blogpost by codinghorror can give us a rough approximation of what a desktop computer uses in power, in comparison. The article is from 2007, and talks about 120 to 150 W of actual usage (pre power-supply efficiency). But let's say, out of fairness, that you use a really power-efficient x86 computer as mini-server. Possibly an old notebook. And that this x86 computer (power draw from the socket) uses only 10 times the amount of a Pi 4:

  • 62 W on average
  • 543 kWh per year
  • 178,14 € power cost per year for your really power efficient x86 server
    • 99,87 € power cost in Great Britain

The actual difference between the Pi 4 and the "efficient x86 server" out of your pocket, just for power usage, are 160,34 € per year! Depending upon how "fat" your server is, how inefficient it's power supply is, you could be looking at even higher savings! 

To be fair, I should admit that there are also quite power efficient Intel Atom SoCs, which draw less power - according to this article, we're somewhere between 10 to 15 W idling. Still about two to three times more than the Pi!) 

Our Pi 4 comfort set saves you money in the first year of operation already!

When operating a small server 24/7, our Pi 4 comfort set would save you money, compared to a classic desktop PC as server:

 

  • Pi 4 Comfort Set: 95 €
  • shipping (within Germany): 4,99 €
  • power usage: 17,80 €
  • Total cost in the first year: 117,79 €
  • You save, xompared to x86: 60,35 €

YES! You save money, in the first year of ownership already! Even considering the purchasing cost of the Pi 4 - simply by saving on power!

Why not use the savings to buy a second Pi 4 / 4 GB as a present for a friend? You will actually be giving a gift of money - with a yearly profit in power cost savings, year after year!

The Pi 4 is supporting our green planet - time to get rid of our old x86 servers which are running in idle most of the time anyways (not really delivering their full capacities / possibilities) - just the power savings alone might justify a purchase of a Pi 4!

Note: People who are lucky to have cheaper costs of power, as in Britain, wil be able to realize the savings within two years, and benefit year over year after that! Few investments pay that quickly for themselves, and start yielding benefits. 

Image by Karsten Wurth @ unsplash

12 Kommentare


  • Vielen Dank für Euer Feedback zu meinem Artikel. Hier eine Antwort auf einige der Kommentare:

    @Klau: “Das bedeutet, wenn ich den RPI 4 als zweites Gerät an einem Netzteil betreibe, dann kostet er mich nur 1,50€ pro Jahr – richtig?” – nein. Bei “12,13 € Stromkosten für den Pi 4 im Leerlauf 365 / 24 / 7” stimmt es zwar dass das Netzteil etwas effizienter laufen kann (da besser ausgelastet), aber wir kommen nicht in Bereiche von 1,50 € pro Jahr. Vielleicht ist das mit zwei heruntergetakteten Pi Zero möglich … aber ich bezweifle es.

    @Matthias: Danke für das nette Feedback. Für leichte Server-Aufgaben ist aus meiner Sicht Modell 2 B oder 3 B am effektivsten – ihr Vorteil ist der eingebaute LAN Port. (2 B hat kein WLAN), sowie die vier Cores im Vergleich zu 1B+.
    Falls eine Verbindung über WLAN gewünscht ist, und die Leistung ausreicht, kann man auch auf einen Pi Zero W zurückgreifen. Der ist in der Anschaffung auch noch eine Ecke günstiger.
    Ich stecke aktuell meine Zeit neben Versand und Support in die nächste Version von PiCockpit, daher schaffe ich es leider nicht die Werte für die anderen Pis einzupflegen / in den Artikel zu aktualisieren.

    @Jürgen: siehe meine Ausführungen an Matthias. Ich halte den Pi 3B als besten Tradeoff wenn es wirklich nur um Energie und leichte Rechenaufgaben geht. Mein Ziel mit dem Artikel war zu zeigen dass der Pi 4 B nicht die Welt kostet, und als kleiner leistungsfähiger Server mit vollem GBit Durchsatz gut geeignet ist. Zum Thema “Milchmädchenrechnung”: OK, ich hatte zu dem Zeitpunkt als ich den Artikel geschrieben habe nach zuverlässigen Zahlen recherchiert – ich lasse mich gerne überzeugen dass moderne x86 Rechner sparsamer sind. Dann müsste statt einem Faktor 10 bspw. ein Faktor 2 angenommen werden. Wenn Du einen Link zu einer entsprechenden Rechnung / zuverlässigen Daten hast (inklusive Netzteil-Performance bei niedriger Auslastung, etc.), dann poste ihn gerne.

    @Ahmed: Danke, ich habe das im Artikel korrigiert

    @Thomas: ich denke der Pi 3A+ ist nur dann geeignet, wenn man mit WLAN als Netzwerkschnittstelle einverstanden ist. Das wäre ich persönlich für einen Server nicht. Siehe auch meine Kommentare an Matthias. Danke auch für den Vergleich mit Deinem x86 Server! Falls Du möchtest, poste doch Links zu Deiner Hardwareausstattung, damit sich andere daran orientieren können. Die Zahlen klingen schon ziemlich fantastisch.

    @Daniel: Danke für die aktuellen Zahlen und den Hinweis auf den Pi 3B. Ich stimme zu, der Pi 3B oder sogar der Pi 2B sind die besten was Tradeoff Kosten / Leistung betrifft.

    Max (buyzero.de) am

  • Das bedeutet, wenn ich den RPI 4 als zweites Gerät an einem Netzteil betreibe, dann kostet er mich nur 1,50€ pro Jahr – richtig?

    Klau am

  • Hallo Team,

    ich betreibe seit mehr als einem Jahr eine Nextcloud-Instanz für die Zwischenablage von kleinen Dateien sowie hauptsächlich zur Aufgabenverwaltung und natürlich der Verwaltung verschiedener Kalender. Das läuft bei mir auf einem Pi Zero W, der unter Last max. ca. 1,1 W (inkl. Netzteil) benötigt. Bisher habe ich kein PiHole darauf getestet, das läuft derzeit auf einem Pi 3B+.
    Allerdings würde ich es begrüßen, wenn zum Vergleich auch ein PiZero und ein Pi 3B (+) für das Setup getestet und berechnet wird und sich nicht ausschließlich auf das neueste Modell bezogen wird.

    Trotzdem: Mir gefällt die äußerst genaue Berechnung und Erklärung dazu! Gute Arbeit – gerne weiter so!

    Grüße,
    Matthias

    Matthias am

  • Vielen Dank für den hervorragenden Artikel!

    Ralph am

  • Na das nenne ich mal eine Milchmädchenrechnung.
    Der Stromverbrauch eines frisch erschienenen Raspberry 4 verglichen mit dem von 12 Jahre alten PCs (verlinkter Artikel aus 2007). Noch dazu ohne Bezug auf die zur Verfügung stehende Rechenleistung.

    Zudem bleibt die Eingangsfrage gänzlich unbeantwortet. – “Ein Kunde…möchte einen Raspi…anschließen. Welcher wäre am besten im Hinblick auf Wattverbrauch…?”

    Da die geforderten Aufgaben keine hohe Prozessorlast erzeugen wäre z.B. ein Pi3B+ deutlich sinnvoller, da ca. 25-30% sparsamer.

    Jürgen

    Jürgen am

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