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Stromkosteneinsparung im Berufsbildungszentrum
der Stadt Nürnberg (BBZ) durch Umstellung der
Computerräume auf Server-(Thin)Client- Systeme
Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung auf Basis der VDI
2067/VDI 6025 als Entscheidungshilfe für künftige
Ersatzinvestitionen
2
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung/Projektidee ................................................................................................................................. 3
2. Die konventionelle Einzelplatzlösung für PC-Räume im Vergleich zu Server-Client-Systemen .......... 3
2.1 Server-Client-Lösung ................................................................................................................................... 4
2.1.1 Der Sachverhalt: .................................................................................................................................... 4
2.1.2 Darstellung einer Server-Client-Lösung: ............................................................................................... 4
2.1.3 Darstellung einer Server-Lösung mit Thin-Clients: .............................................................................. 4
2.1.4 Die Eigenschaften von Server-Client- und Einzelplatzkonzept im Vergleich: ...................................... 5
3. Die Stromverbrauchsmessungen in den PC-Räumen des BBZ ................................................................ 5
3.1 Das Messgerät ............................................................................................................................................... 5
3.2 Das Messdatenblatt ....................................................................................................................................... 6
3.3 Die Messergebnisse ...................................................................................................................................... 6
3.3.1 Beschreibung der Computerräume des BBZ in Nürnberg ..................................................................... 6
3.3.2 Leistungsbetrachtung ............................................................................................................................. 7
3.3.3 Laufzeitbetrachtung ............................................................................................................................... 7
3.3.4 Energiebetrachtung Einzelplatzlösung .................................................................................................. 8
4. Ermittelter Stromverbrauch der Computerräume mit Server-(Thin)Client-System ................................. 8
4.1 Die Beschreibung der Server-Client-Lösung hinsichtlich Stromverbrauch .................................................. 8
4.2 Angenommener Leistungsverbrauch pro Woche und errechnete Wirkarbeit pro Jahr ................................. 9
5. Energiebilanz zwischen Server-Client und eines Einzelplatzrechners ......................................................... 9
5.1 Veranschaulichung des Einsparpotentials beim Stromverbrauch ................................................................. 9
5.2 Veranschaulichung des Lastspitzenverhaltens ............................................................................................ 10
6. Wirtschaftlichkeitsvergleich der beiden Lösungen – Einzelplatz und Server-Client ................................ 11
6.1 Erläuterungen zum Berechnungsverfahren für die Wirtschaftlichkeit- und VDI Normen ......................... 11
6.2 Erläuterungen zu Investitionen ................................................................................................................... 12
6.3 Erläuterungen zu den eingesetzten Daten ................................................................................................... 13
6.3.1 Energiedaten ........................................................................................................................................ 13
6.3.2 Schulspezifische Daten ........................................................................................................................ 13
6.4 Berechnete Varianten .................................................................................................................................. 14
6.4.1 Kostengleiche Variante V1 .................................................................................................................. 14
6.4.2 Spezifischer Anschaffungspreis je Server–Client höher (V2) oder niedriger (V3) als die
Einzelplatzlösung ......................................................................................................................................... 15
6.4.3 Die Server-Client-Varianten V1, V2 und V3 mit Nutzungsdauer 10 Jahre ......................................... 15
7. Zusammenfassung und Ausblick ................................................................................................................... 16
3
1. Einleitung/Projektidee
Die Projektidee zu dieser Betrachtung entstand im Wahlfach Photovoltaik der B2 Rudolf- Diesel-
Fachschule (RDF) im Fachbereich Elektrotechnik. Im Wintersemester 15/16 dimensionierten
Studierende der EAV2 und EAV4- Abschlussklasse eine Photovoltaikinselanlage für die Assembly of
God Church School in Rupaidiha (Nordindien), ein Gymnasium für ca. 800 Schüler. Ein Teil des
Wahlfaches beschäftigte sich auch mit der vorausgegangenen Energieeinsparbetrachtung für die
gesamte Schule und deren angeschlossene Wohngebäude. Die Lehrkraft im Wahlfach hatte vor Ort an
der indischen Grenze zu Nepal die Stromverbrauchsdaten zusammen mit dem indischen Physiklehrer
aufgenommen und analysiert. Daraus wurden im Unterricht verschiedene Einsparszenarien mit
Energieeinspar- und Versorgungsvarianten entwickelt.
Bei den Energieverbrauchsmessungen in der indischen Schule sind neben den spezifisch indischen
Schwachstellen mit hohem Energiebedarf –z.B. Beleuchtung, Ventilatoren- auch ein besonders
hervorzuhebender, bereits realisierter Energieeinspareffekt bei einem Computerraum der Schule
aufgefallen. Bei der Messung des Leistungsbedarfes stellte sich heraus, dass die gewöhnlichen
Einzelplatz-PCs mit Bildschirm einen Bedarf von 75 W hatten, die Server-Client-Lösung mit
Bildschirm jedoch nur 20 Watt (Anhang: A1), also einen um 73% geringeren Bedarf !
Mit Feststellung dieses Zusammenhangs war die Projektidee als Know-How-Transfer der indischen
Schule zum Berufsbildungszentrum (BBZ) der Stadt Nürnberg entstanden.
Bei der Fülle von Computerräumen im BBZ mit über 1.000 installierten PCs sollte eine
Energieverbrauchsanalyse der Computerräume Aufschluss darüber geben, ob die Umstellung auf
Server-Client-Lösungen mit der verbundenen Stromkostenreduktion aus wirtschaftlichen
Gesichtspunkten sinnvoll ist. Die Entwicklung von Ideen, Messdatenaufnahme und
Wirtschaftlichkeitsberechnungen waren also das Ziel dieses Wahlfachprojektes, das in den hier
vorliegenden, ausgewählten Bericht der Gruppen 3+5 des Wahlfaches mündete.
Im Rahmen des Projektes hat der Wahlfachkurs Leistungsmessungen im gesamten BBZ durchgeführt,
diese ausgewertet sowie eine Berechnung zur Energieeinsparung aufgestellt. Anhand dieser sollte
deutlich werden, wie viel Energie mit einer Umstellung auf die Server-Computer-Infrastruktur
eingespart werden kann.
Ein einzelner Computer von den im BBZ insgesamt 1087 untersuchten PCs hat im Durchschnitt 72,3
Watt elektrische Leistungsaufnahme. Da die Computer kaum rechenintensive Aufgaben übernehmen
müssen, werden sie weit unterhalb ihrer Leistungsfähigkeit mit schlechtem Wirkungsgrad betrieben.
Dies ist sehr ineffizient und verbraucht unnötig viel Energie. Bei der Fülle von Computern im BBZ ist
also bei einer erwarteten Einsparung von 73% durch die Umstellung auf eine Server-Client-Lösung
eine genauere Betrachtung sehr sinnvoll.
2. Die konventionelle Einzelplatzlösung für PC-Räume im Vergleich zu Server-
Client-Systemen
Aktuell sind im BBZ die PC-Räume in der klassischen Einzelplatz-Lösung realisiert: Jeder
Arbeitsplatz ist mit einem PC und Bildschirm ausgestattet. An jedem dieser PCs sind die
erforderlichen Softwareprogramme aufgespielt. Bei einer Server-Client-Lösung läuft das
Softwareprogramm auf einem zentralen Server, der mit den Arbeitsplatzcomputern, den sogenannten
Clients, verbunden ist. Der Client ist nur ein technisch stark reduzierter PC, also leistungsschwach und
demnach kleiner mit einem sehr viel geringeren Stromverbrauch. In den Abbildungen 2.1.2 und
2.1.3a/b sind die beiden Techniken dargestellt.
4
Ein Vergleich der beiden PC- Systeme ist ausführlicher im Folgenden Abschnitt 2.1 dargestellt.
Dem Vergleich liegen sogenannte Thin-Client-Systeme zu Grunde, weil nur diese einen sehr geringen
Stromverbrauch haben. Bei anderen Server-Client-Systemen bestehen die Clients aus nahezu
vollwertigen PCs, sodass keine relevante Energieeinsparung möglich ist. Ein Thin-Client ist ein sehr
stromsparender Mini-Computer, der nur die Ein- und Ausgabe vom Benutzer empfängt bzw. diese an
ihn weiter gibt. Die eigentliche Rechenarbeit wird von einem oder mehreren zentralen Servern
übernommen. Aus diesem Grund reduziert sich der Leistungsverbrauch bei Thin-Clients auf nur noch
ca. 1/5 bis 1/10 der elektrischen Leistung eines einzelnen Computers.
2.1 Server-Client-Lösung
2.1.1 Der Sachverhalt:
Immer schnellere Datennetzwerke machen es möglich, in verschiedenen Bereichen der Wirtschaft,
Technik und des Lehrwesens, dort wo es um wenig rechenintensive Aufgaben geht, Einzelplatzrechner
durch Server-Client-Lösungen zu ersetzen. In der Abbildung 2.1.2 wird der prinzipielle Aufbau einer
Server-Client-Lösung dargestellt.
2.1.2 Darstellung einer Server-Client-Lösung:
Bei dieser Art der Lösung (vgl. Abb.2.1.2) ähneln die Arbeitsplatzrechner in Größe und Funktion noch
sehr stark dem klassischen Einzelplatzrechner. Für Aufgaben mit noch größeren Rechen- oder
Grafikleistungen, wird dieses Konzept gewählt, da das Netzwerk für die Bewältigung dieser Aufgaben
sonst zu wenig leistungsstark und nicht schnell genug wäre.
Abbildung 2.1.2
2.1.3 Darstellung einer Server-Lösung mit Thin-Clients:
Bei der in Abbildung 2.3.1a dargestellten Art der Lösung liegt in der Regel bereits ein sehr schnelles
Datennetz vor und/oder die Anforderungen an die Clients hinsichtlich großer Rechen- oder
Grafikleistung ist nicht so groß. Hier handelt es sich um das sogenannte Thin-Client-Konzept. Der
Thin-Client ist nur noch so groß wie eine handelsübliche, externe USB-Festplatte und verbindet
Bildschirm und Netzwerk. Der Thin-Client wird dabei häufig unter dem Bildschirm als
5
„Aufstellerhöhung“ benutzt oder ist bereits im Bildschirm selbst integriert (vgl. Abb. 2.1.3a). In
Abbildung 2.1.3b sieht man den Größenvergleich eines Einzelplatzrechners und einem Thin-Client.
Abbildung 2.1.3a Abbildung 2.1.3b
2.1.4 Die Eigenschaften von Server-Client- und Einzelplatzkonzept im Vergleich:
Einzelplatzrechner und Server-Client-Lösungen können mit folgenden Eigenschaften charakterisiert werden: Server-Client-Konzept Einzelplatzrechner
Verwaltungsaufwand gering hoch Erweiterung des Netzes einfach aufwendig Energiekosten gering hoch Lebensdauer der Hardware höher mittelmäßig Datensicherheit hoch, da Daten redundant auf
dem Server mittelmäßig, da Daten nicht redundant
Bei einer Festlegung auf Einzelplatzlösungen oder Server-Client-Lösungen sind jedoch noch weitere
Aspekte zu berücksichtigen und abzuwägen:
Weitere Gesichtspunkte:
- Beschaffungskosten
- Lizenzen, etwa für Betriebssysteme, benötigte Software
Den Verfassern dieses Berichtes ist bewusst dass zunächst die Entscheidung für eines dieser PC
Konzepte auf Grund all dieser Gesichtspunkte erfolgen muss. Da aus verschiedenen Gründen die
Server-Client-Lösung immer mehr in Schulen Einzug hält, kann die nachfolgende
Energiekostenbetrachtung dem Entscheider dann ein zusätzliches Argument liefern.
3. Die Stromverbrauchsmessungen in den PC-Räumen des BBZ
Zuächst musste als Datenbasis der energetische IST- Zustand der über 1.000 Rechner im BBZ erfasst
werden.
3.1 Das Messgerät
Zur Erfassung der Leitungs- und Energiedaten haben 7 Gruppen des Wahlfaches handelsübliche
Energiekosten-Messgeräte (Abb. 3.1a) eingesetzt, wie es sie in jedem Bau- oder Supermarkt gibt. Für
die Messung muss man den Verbraucher aus der Steckdose nehmen, anschließend das Messgerät in
die Steckdose und zum Schluss den Verbraucher zurück in das Messgerät einstecken. Hier kam z.B.
ein Energiekosten-Messgerät der Firma BaseTech vom Conrad Electronic zum Einsatz. Dieses
6
Energiekosten-Messgerät kann unter anderem die Wirkleistung und den Leistungsfaktor ermitteln.
(siehe Abb.3.1b - Datenblatt_Energiekosten-Messgerät, vgl. auch Anhang: A2).
Abbildung 3.1a Abbildung 3.1b Energiekosten-Messgerät Auszug aus dem Technischen Datenblatt 3.2 Das Messdatenblatt
Um die Messungen für alle Gruppen einheitlich durchzuführen zu können, ermittelte man im
Gruppenwettbewerb den Inhalt und Aufbau eines Messprotokolls, das für die Gruppen 1-7 dann
bindend war. Daraus ergab sich, dass es nicht nur sinnvoll ist, die Anzahl der Computerräume und
PCs, sondern insbesondere die wöchentliche Nutzungsdauer des jeweiligen Raumes mit
einzubeziehen. Ebenso hielt man fest, welche Räume einen zentralen Not-Aus-Schalter besitzen, und,
ob dieser benutzt wird, sodass nachts die PCs nicht im Standby-Modus weiterlaufen.
Zudem wurden die Leistungsaufnahme der Desktop-PCs und Bildschirme einschließlich des
Blindleistungsfaktors cos(φ) gemessen. Im folgenden Verlauf stellte man anhand der
Stromkostenabrechnung jedoch fest, dass das BBZ nur die Wirkarbeit, aber nicht noch zusätzlich den
Blindleistungsfaktor bezahlen muss. Deshalb wurde der Blindleistungsfaktor in der Berechnung nicht
weiter berücksichtigt. Für eine übersichtlichere Auflistung wurde für jede Schule ein separates
Datenerfassungsblatt erstellt. Im Anhang ist beispielhaft für die Schulen B2 und B6 die Auswertung
für die Rechnerräume und die gesamte Schule dargestellt (Anhang: A3+A4). Bei Redaktionsschluss
wurde festgestellt, dass PC-Räume der KFZ-Abteilung in der B2 unberücksichtigt blieben. Das hat
jedoch keinen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung im Gesamtergebnis.
3.3 Die Messergebnisse
3.3.1 Beschreibung der Computerräume des BBZ in Nürnberg
Aus Abb 3.3.1 ergibt sich, dass es an den sieben Berufsschulen am BBZ insgesamt 66 Computerräume
mit 1.087 installierten PCs ermittelt wurden. Je Computerraum stehen durchschnittlich 17 Computer,
von denen durchschnittlich 14,57 regemäßig von Schülern benutzt werden. Dies resultiert in einer
Gesamtanzahl von 962 benutzter PCs (= 14,57 x 66) am BBZ.
7
Anzahl Ø Benutzung
Install. PCs /je Raum (Ø) Räume
PCs (inst.) je Schule
Belegte PCs /je Raum (Ø)
Schulstunden pro Woche
Benutzungsstunden / Woche
[St.] [St.] [St.] [St.] [Anz/w] [h/Woche]
B2 15 11 165 12 19,09 14,32
B3 29 1 29 29 12,00 9,00
B5 15 3 45 10 21,10 15,83
B6 15 14 210 13 20,50 15,38
B8 16 4 64 15 23,25 17,44
B9 18 28 504 9 39,43 29,57
B11 14 5 70 14 16,00 12,00
Summe (BBZ) 66 1087 Durchschnitt (BBZ) 17,43 14,57 21,62 16,22
Abb. 3.3.1, aus Excel Wirtschaftlichkeitsberechnung, Anhang: A5, Tabelle D
3.3.2 Leistungsbetrachtung
Durch die Messungen im BBZ konnte man die durchschnittliche Leistung eines PCs sowie den
durchschnittlichen Standby-Verbrauch und den des dazugehörigen Bildschirms ermitteln. Die
dargestellten Minimal- und Maximalwerte beziehen sich auf die Messwerte einzelner Computer. In
Klammern steht der jeweilige Aufstellraum des PC. Die durchschnittliche Leistung wurde anhand aller
gemessenen Werte im BBZ errechnet (vgl. Tab. 3.3.2).
Leistungsaufnahme
Minimum Maximum Durchschnitt BBZ PC 40,00 W (B3/EDV Saal) 86,00 W (B11/G108) 49,04 W Bildschirm 17,00 W (B5/F139) 29,00 W (B8/C246) 21,32 W Standby 0,70 W (B8/C246) 2,57 W (B3/EDV Saal) 1,57 W Tabelle 3.3.2, vgl. auch Excel Wirtschaftlichkeitsberechnung, Anhang: A5-D
3.3.3 Laufzeitbetrachtung
Des Weiteren konnten wir die durchschnittliche Laufzeit eines einzelnen Rechners in einem Raum
durch die Raumbelegungspläne der einzelnen Schulen ermitteln (siehe Auszug 3.3.3).
Schulstunden pro Woche
Benutzungsstunden / Woche
[Anz/w] [h/Woche]
B2 19,09 14,32
B3 12,00 9,00
B5 21,10 15,83
B6 20,50 15,38
B8 23,25 17,44
B9 39,43 29,57
B11 16,00 12,00
Summe (BBZ) Durchschnitt (BBZ) 21,62 16,22
Abb. 3.3.3, aus Excel Wirtschaftlichkeitsberechnung, Anhang: A5, Tabelle D
8
3.3.4 Energiebetrachtung Einzelplatzlösung
Mithilfe der Laufzeitangaben (Raumbelegungspläne + Auskünfte der Raumbetreuer) und der
Leistungsaufnahme [Watt] kann man die Energie, die für den Betrieb der PCs aufgewendet werden
muss, errechnen. Dazu multipliziert man die Leistung mit der Laufzeit, also W = P · t . Das Ergebnis
„Energie“ wird dann in Wh oder KWh angegeben.
Dabei steht „t“ für die durchschnittliche Laufzeit eines Rechners pro Woche in Höhe von ca. 16
Stunden und 13 Minuten. In den restlichen Wochenstunden in denen, die Computer nicht benutzt
werden, läuft der PC im Standby-Betrieb. Daraus resultiert die Differenz von 168h einer Woche zu
16,22h mit durchschnittlicher Benutzung. Der Rechner „läuft“ also überwiegend ca. 151 Stunden und
47 Minuten pro Woche im Standby-Betrieb. Die nachfolgenden Energiewerte in Tabelle 3.3.4a
beziehen sich auf die Messwerte von Tabelle 3.3.2 und Abb. 3.3.3.
Gerät Minimal ………… Maximal Durchschnitt Computer 0,65 kWh 1,39 kWh 0,80 kWh Bildschirm 0,28 kWh 0,47 kWh 0,34 kWh Standby 0,11kWh 0,39 kWh 0,24 kWh Tabelle 3.3.4a, Wöchentliche Stromverbrauchswerte im BBZ (Einzelplatzrechner)
In Tabelle 3.3.4b befinden sich die errechneten Energiewerte bezogen auf ein Schuljahr mit 39 Schulwochen. Innerhalb dieser verbrauchen die Rechner die Energie lt. Tabelle 3.3.4a, die restlichen 13 Kalenderwochen werden mit einem durchlaufenden Standby-Betrieb berechnet. Der durchschnittliche Gesamtverbrauch mit Standby-Betrieb der Schule beläuft sich daher auf ca. 55.000 kWh im Jahr (siehe Tabelle 3.3.4b). Da die Server-Client-Lösung vermutlich ein ähnliches Standby-Verhalten aufweisen wird, nehmen wir in der Gesamtenergiekostenbilanz keine Rücksicht auf die benötigte Energie im Standby-Betrieb, da bei gleichen Standby-Verbräuchen die Differenz gleich „0“ ist. Das heißt nicht, dass der Standbyverbrauch bedeutungslos ist (vgl. Kap. 7.)! Zunächst ergibt sich aber ein Referenzwert von ca. 41.700 kWh pro Jahr als Gesamtverbrauch für die 962 regelmäßig betriebenen Einzel PCs mit Bildschirm, den man als IST-Wert oder IST- Zustand ansehen kann.
Gerät Minimal ……….. Maximal Durchschnitt Ø aller PCs im BBZ
Computer 25,35 kWh 54,21 kWh 31,20 kWh ~29.000kWh Bildschirm 10,92 kWh 18,33 kWh 13,26 kWh ~12.700kWh Standby 5,81 kWh 20,82 kWh 12,79 kWh ~12.300kWh Tabelle 3.3.4b, Jährliche Stromverbrauchswerte im BBZ (Einzelplatzrechner)
4. Ermittelter Stromverbrauch der Computerräume mit Server-(Thin)Client-System
4.1 Die Beschreibung der Server-Client-Lösung hinsichtlich Stromverbrauch
Bis zum Redaktionsschluss konnte keine Server-(Thin)Client-Lösung im BBZ ausfindig gemacht oder gemessen werden. Als Grundlage für die weitere Bearbeitung hatte man sich jedoch bereits frühzeitig auf die Auswertung der indischen Kooperationsschule gestützt. Dort betrug die Leistungsaufnahme nur 20 Watt, davon 8W für den Client und 12 Watt für den Bildschirm. 8-10 Watt Stromverbrauch für einen (Thin)Client ist realistisch, diesen geben auch Hersteller dieser Geräte an. Auf Grund von größeren Bildschirmen im BBZ verwenden wir im Wirtschaftlichkeitsvergleich später die durchschnittlich gemessenen 21,3 Watt, insgesamt also 29,3 Watt für Client und Bildschirm zusammen. Im Diagramm 4.1 ist die jeweilige Leistungsaufnahme für einen Arbeitsplatz der zwei Systeme exemplarisch gegenübergestellt. Geht man für das Server-Client-System mit Bildschirm von insgesamt 25 W aus, dann beträgt das Einsparpotential mit Server-Client-Systemen im BBZ gegenüber der derzeit vorherrschenden Lösung immerhin 65% (25W statt 72 W)!
9
72
25
0 10 20 30 40 50 60 70 80
W
Leistung [W]
Server / Client Einzelplatz PC
Server-Client
72
25
0 10 20 30 40 50 60 70 80
W
Leistung [W]
Server / Client Einzelplatz PC
Server-Client
Einzelplatz
Diagramm 4.1
4.2 Angenommener Leistungsverbrauch pro Woche und errechnete Wirkarbeit pro Jahr
Mit den in 4.1 genannten Werten von 8 W pro Client und 21,3 W pro energiesparenden Bildschirm und der Laufzeit (vgl. 3.3.3) können wir den durchschnittlichen Energieverbrauch pro Arbeitsplatz mit Server-Client-Konzept im BBZ bestimmen. Zusätzlich zu dem Client und dem Bildschirm muss noch ein Server pro Raum hinzugerechnet werden. Ein Server wird mit durchschnittlich 200W angenommen (incl. der Netzwerkkomponenten und sonstiger Verbraucher). Da ein Server pro Klassenzimmer ausreicht, ist der Verbrauch für den Server auf durchschnittlich 15 PCs pro Computerraum aufzuteilen. Wie in Tabelle 4.2 dargestellt, ergibt sich dann der Gesamtverbrauch einer Server-Client Lösung inclusive dem Verbrauch des Servers. Der Verbrauch eines separaten Bildschirmes nur für den Server kann vernachlässigt werden, da dieser entweder über das Netzwerk gewartet wird oder nur kurzzeitig lokal bedient wird.
BBZ Woche Jahr Client + Bildschirm 458 kWh 17.378 kWh Server 15 kWh 558 kWh Gesamt 563 kWh 17.936 kWh Tabelle 4.2, Stromverbrauchswerte im BBZ (Komplette Server-(Thin)-Client Lösung mit Bildschirm)
Insgesamt ergibt sich sodann der hochgerechnete Stromverbrauch für die benötigen Arbeitsplätze im
BBZ nach einer sukzessiven Umstellung auf Server-(Thin)Klient-Systeme mit jährlich insgesamt
17.936 kWh.
5. Energiebilanz zwischen Server-Client und eines Einzelplatzrechners
5.1 Veranschaulichung des Einsparpotentials beim Stromverbrauch
Aus der Stromverbrauchsdifferenz der beiden Systeme ergibt sich das Einsparpotential in Höhe von jährlich 23.764 KWh für das BBZ (= 41.700- 17.936) bei Berücksichtigung aller Komponenten, also auch einen leistungsfähigen Server pro PC-Raum. Damit verbleibt immerhin ein Einsparpotential
von 57% ! Im Diagramm 5.1 ist dies anschaulich dargestellt.
10
41.700
17.900
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000
kWh
Energieeinsparpotential
im BBZ [KWh/a]
Server / Client Einzelplatz PC
Diagramm 5.1, Jährliches Energieeinsparpotential im BBZ
Durch die Auswertung der Stromrechnung (2015) konnten Daten zum Gesamtverbrauch im BBZ analysiert werden. Der jährliche Verbrauch des BBZ betrug ca. 1.940 MWh, das sind 1.940.000 KWh (vgl. auch Anhang: A5-B2). Darauf entfallen 41.700 kWh für die Nutzung der Computer. Dies entspricht zwar lediglich ca. 2% des jährlichen Gesamtbedarfs des BBZ. Absolut gesehen ist jedoch das Einsparpotential von jährlich 23.700 KWh ausschlaggebend. Dies entspricht etwa dem jährlichen Vollstrombedarf von 8 Haushalten. Eine weitere energiewirtschaftliche Bedeutung hat die Tatsache, dass die geringere Leistungsaufnahme der Thin-Client-Lösung zusätzlich bei der Reduktion der täglichen Lastspitze des BBZ ins Gewicht fallen wird. Das hat eine Auswirkung auf den Strompreis für das BBZ, wie im nachfolgenden Kapitel 5.2 erläutert wird.
5.2 Veranschaulichung des Lastspitzenverhaltens
Der Vergleich der Lastspitzen ist wichtig, da das BBZ aus der Sicht des Lieferanten und Verteilnetzbetreibers auf Grund der großen Abnahme einen Sonderverbraucher darstellt. In der Stromrechnung muss also neben dem Verbrauch in KWh aus die im Jahr auftretende, maximale Lastspitz in KW bezahlt werden. Die Lastspitzen im BBZ werden mit 7,41€ pro kW und Monat berechnet (88,92 €/KW/a). Die Reduzierung der Lastspitzen ist deshalb ein wichtiger Aspekt, der nicht vernachlässigt werden darf, wenn man die eingesparten Kosten ermitteln möchte. Pro Computer, bestehend aus Rechner und Bildschirm, entsteht eine durchschnittliche Leistungsaufnahme von 72W (siehe 3.3.2 Tabelle) im Einzelplatzkonzept. Die Gesamtleistungsaufnahme aller PCs im BBZ beträgt ca. 67,34kW. Bei der Server-Client-Lösung beträgt der vergleichbar Wert nur 36,35 kW. In der Differenz beträgt also ca. 30 kW (Diagramm 5.2). Es kommt nunmehr darauf an abzuschätzen, wie viele PCs zum Zeitpunkt der täglichen Höchstlast für das gesamte BBZ gleichzeitig angeschaltet werden. Man kann in erste Näherung davon ausgehen, dass etwa 1/3 der PCs gleichzeitig eingeschaltet werden (mit anteilig 12 KW von 36,35 KW) und somit einen Beitrag zur gesamten Lastspitze des BBZ in Höhe von bis zu 960KW beitragen (vgl. auch A5-B2). Dies verändert den spezifischen Strompreis pro Kilowattstunde für die Berechnung der Kosteneinsparung. Im Anhang: A5-B2 werden Daten aus einer Stromrechnung des BBZ analysiert und der Einfluss auf den spezifischen Strompreis erläutert-dieser wird oft vernachlässigt. Der spezifische Strompreis aus der Rechnung für das BBZ beträgt für das Jahr 2015 22,04 ct/KWh. Berücksichtigt man eine Leistungsreduktion von 12 KW auf Grund der Server-Client-Lösung, dann errechnet sich eine zusätzliche jährliche Einsparung in Höhe von 1.312,10 € incl. Mwst. Die spezifische Einsparung pro KWh Energie kann deshalb statt mit 24,51 ct/KWh statt mit 22,04 ct/KWh höher angesetzt werden. Diese Auswirkung auf den Strompreis ist nicht unbedeutend. Insbesondere
11
67,34
36,35
0 10 20 30 40 50 60 70 80
kW
Anschlussleistung [KW]
Server / Client Einzelplatz PC
bei Ersatzinvestitionen der Technik, z.B. bei der Erneuerung der elektrischen Leitungsanlage, ggf. bei der Trafoauslegung kann diese später zusätzlich größere Kosteneinsparungen mit sich bringen.
Diagramm 5.2
Bei den folgenden Energiekostenbetrachtungen in der Wirtschaftlichkeitsberechnung wird dieser
„Leistungsbonus“ bei der Server-Client-Lösung mit der absoluten Kosteneinsparung in Höhe von
1.312,10 € berücksichtigt (A5-B2, Zelle G47). Er führt, anders ausgedrückt, zu einem spezifischen
Strompreis von nur noch 18,77 ct/KWh (vgl. Anhang A5-B, Zelle I14).
6. Wirtschaftlichkeitsvergleich der beiden Lösungen – Einzelplatz und Server-Client
Für den nachfolgenden Wirtschaftlichkeitsvergleich wurden durch die Bearbeiter für sinnvoll erachtete
Varianten ausgewählt. Dabei gingen die real gemessenen Stromverbräuche und technische Annahmen
in die Betrachtung ein.
In einer weitergehenden Betrachtung mögen für die Entscheider in der Stadt Nürnberg und in den
jeweiligen Schulen zusätzlich die Ansätze für Investitionskosten und Lebensdauer der Anlagen von
großer Bedeutung sein. Aus diesem Grund wurde die Excel- Kalkulationstabelle für den
Wirtschaftlichkeitsvergleich so umfangreich und flexibel aufgebaut, dass alle möglichen Eingaben auf
der Ergebnisseite (vgl. gelb markierte Zellen in der Excel-Datei „Wirtschaftlichkeitsberechnung“, vgl.
A5-Erg.) zentral verändert werden können und die Auswirkungen auf das Ergebnis, d.h. die
Wirtschaftlichkeit, abgelesen werden können. Zum Ende der Betrachtung untersuchen wir noch die
Auswirkung auf die Wirtschaftlichkeit, wenn man z.B. für die Server-Client-Lösung eine abweichende
Lebensdauer von 8 oder 10 Jahren wählt. Das Excel Programm wird für weitergehende Betrachtungen
im Anhang auf einen Datenträger zur Verfügung gestellt oder auf Anfrage gerne zugestellt.
6.1 Erläuterungen zum Berechnungsverfahren für die Wirtschaftlichkeit- und VDI Normen
Für den Wirtschaftlichkeitsvergleich der einzelnen Varianten wurde die Systematik der VDI-Norm
2067 Teil 1 verwendet, welche die Grundlagen der Kostenrechnung für die Wirtschaftlichkeit
gebäudetechnischer Anlagen beschreibt. So werden im Wesentlichen folgende jährliche
Kostengruppen zu Jahresgesamtkosten addiert:
12
+ A) Kapitalgebundenen Kosten der Investition
+ Instandsetzung und -haltung
+ B)Verbrauchsgebundene Kosten (Strom)
+ C)Sonstige Kosten
= Jahresgesamtkosten
Die Wirtschaftlichkeit verschiedener Varianten kann verglichen werden, indem man deren Jahresgesamtkosten gegenüberstellt. Die Anlage mit den niedrigsten Jahresgesamtkosten ist dabei die wirtschaftlichste. Bildet man die Differenz der Jahresgesamtkosten aus zwei Varianten, so ergibt sich die jährliche Einsparung der einen gegenüber der anderen Variante. Die Investition geht dabei nicht unmittelbar, sondern über die rechnerische Nutzungsdauer der PC´s und dem Zinssatz ein. Eine Investition in Höhe von 1.000 € ergäbe ohne Berücksichtigung von Zinsen einen jährlichen Kapitaldienst von 1.000 € / 5a = 200 €/Jahr. Durch die Berücksichtigung von Zinsen, ergibt sich ein etwas höherer Betrag, nämlich die sogenannte Annuität A nach folgender Formel: A = I ∙ 1/aN Dabei ist: I Investition 1/aN Annuitätsfaktor abhängig vom Zinssatz und Lebens-/Nutzungsdauer
Bei einem niedrigen Zinssatz von 2% und einer Betrachtungs-/Lebensdauer von fünf Jahren ergibt sich der Annuitätsfaktor mit 21,84%. Damit ergibt sich die jährliche Annuität A = 1.000 € ∙ 24,84% = 248,4 € / Jahr Damit entstehen innerhalb der fünf Jahre also nicht 1.000 € sondern 5 x 248,4 € = 1.242 € an kapitalgebundenen Kosten. Darin sind dann 242 € an Zinsen enthalten, die man im Rahmen der Tilgung eines annuitätischen Darlehens in Höhe von 1.000 € innerhalb der fünf Jahre bezahlen müsste. Man spricht deshalb auch von der Annuitätenmethode, die auch in der VDI-Richtlinie 6025 mit finanzmathematischen Variationen erläutert wird. Im Anhang wird für den interessierten Leser die Systematik der VDI 2067 und auch näher beschrieben (Anhang: A6). Dort wird auch erläutert, wie der Annuitätsfaktor für beliebige Zinssätze und Nutzungsdauern berechnet werden kann und die Inhaltsverzeichnisse der beiden VDI Richtlinien abgebildet (Anhang: A7). In der vom Wahlfach „Photovoltaik II- Energieeffizienz“ erstellte Excel-Tabelle für den Wirtschaftlichkeitsvergleich wird lediglich der Zinssatz und die Nutzungsdauer vorgegeben. Der Annuitätsfaktor, die Annuität und damit die jährlich anfallenden kapitalgebundenen Kosten der Investition werden automatisch in Excel berechnet, so dass man sich nicht mit finanzmathematischen Formeln beschäftigen muss (Anhang: A5-Erg.).
6.2 Erläuterungen zu Investitionen
Bei einer Wirtschaftlichkeitsberechnung müssen die Investitionskosten berücksichtigt werden. So sind
Festlegungen für die Ausgaben zu treffen. Ein Einzelplatz-PC wird mit 600 € angesetzt. Dazu
kommen noch die Anschaffungskosten von ungefähr 150 € für den Bildschirm hinzu. Bei einem
Server-Client System wird ebenso der Bildschirm benötigt, der PC wird im Rahmen einer
Ersatzinvestition oder Neuanschaffung durch einen Client ersetzt. So entstehen keine Mehrkosten
13
gegenüber der Einzelplatzlösung. Bei den drei untersuchten Varianten der Server-Client-Lösung (siehe
Abschnitt 6.4) gehen wir in der Variante 1 von identischen Kosten gegenüber der Einzelplatzlösung
aus, damit die Stromkostenersparnis in der Variante 1 nicht durch finanzmathematische
Einflussgrößen verzerrt wird. Bei späteren Varianten (2 und 3) variieren wir bei den Kostenannahmen
des System zwischen 100 € Mehr- und Minderkosten je Arbeitsplatz.
In der nachfolgenden Abbildung 6.2 werden die Eingaben in die Exceltabelle der
Wirtschaftlichkeitsberechnung dargestellt (vgl. auch A5-Ergebnis). Im Programm können die „gelb“
hinterlegten Zellen frei entsprechend den jeweiligen konkreten Gegebenheiten und individuellen
Kostenansätzen eingegeben werden.
Investitionen / Berechnungsvarianten
Preis / PC 600,00 € Preis / Bildschirm 150,00 € Preis Einzelplatzlösung 750,00 €
Varianten Server-Client-Lösung Variante 1 - Mehr- / Minderkosten (je Arbeitsplatz) 0,00 € Variante 2 - Mehr- / Minderkosten 100,00 € Variante 3 - Mehr- / Minderkosten -100,00 €
Abbildung 6.2: Eingaben der „Wirtschaftlichkeitsberechnung“, vgl. Anhang: A5-Ergebnis
6.3 Erläuterungen zu den eingesetzten Daten
6.3.1 Energiedaten
Weitere Eingaben in der Wirtschaftlichkeitsberechnung, z.B. zu den Energiedaten sind in Abbildung
6.3.1 dargestellt (vgl. auch Anhang: A5-Ergebnis). Für die Einzelplatz PCs (Ist-Situation) wurden die
Messergebnisse verwendet (siehe Abschnitt 3.3.4) und der Durchschnitt zur Berechnung genutzt. Für
die Server–Client Lösung wurden die Daten aus der Leistungsmessung von der Assembly of God
Church School aus Nordindien herangezogen. Auch hier besteht für die gelb hinterlegten Werte eine
Anpassungsmöglichkeit der Eingabe (alle „gelb“ markierten Zellen).
Energiedaten Vergleich
Stromverbr. Einzel PC 49,04 W
Bildschirm 21,32 W
Stromverbr. Server PC 200,00 W
Client 8,00 W
Aktueller spezifischer Energiepreis (BBZ) 22,04 ct/kWh
Spezifischer Energiepreis d. eingesparten Energie 24,51 ct/kWh
Abbildung 6.3.1: Eingaben der „Wirtschaftlichkeitsberechnung“, vgl. Anhang: A5-Ergebnis
6.3.2 Schulspezifische Daten
Für die Berechnung der genutzten Energie ist die Laufzeit der Computer, wie in Abschnitt 3.3.3 erwähnt, von entscheidender Bedeutung. Die Räume wiesen eine deutlich unterschiedliche Tages- und Wochenauslastung auf, die in der Excel-Datei „Wirtschaftlichkeitsberechnung“ in Tabelle „D_Auswertung_Messergebnisse“ dargestellt wird (vgl. nachfolgende Abb. 6.3.2). Diese „gelb“ hinterlegten Eingabedaten sind wieder individuell vorzugeben. In der Berechnung wird das Ergebnis bei einer Änderung der Werte dann automatisch aktualisiert. Allgemeine Angaben zum Schulbetrieb / BBZ
14
Schulwochen im Jahr 38 Wo/a
Durchschn. Laufzeit/ Woche 16,22 h
Anzahl Räume 66 St
Durchschn. Anzahl PCs / Raum 14,57 St
Abbildung 6.3.2: Eingaben der „Wirtschaftlichkeitsberechnung“, vgl. Anhang: A5-Ergebnis
6.4 Berechnete Varianten
6.4.1 Kostengleiche Variante V1
Für die Wirtschaftlichkeitsberechnung wurde angenommen, dass der Anschaffungspreis einer
Einzelplatzlösung gleich dem Anschaffungspreis der Server-Client-Lösung entspricht. Dadurch sind
die kapitalgebundenen Kosten durch die Investition identisch. An diesem Beispiel kann aufgezeigt
werden, wie sich die Kosteneinsparung nur durch die Reduzierung des Energieverbrauchs auswirkt,
weil zunächst andere Kostenaspekte der unterschiedlichen Systeme ausgeblendet bzw. durch die
Differenzbildung der beiden Lösungen herausgekürzt werden (siehe Abb 6.4.1).
Einzel- Serverclient V0
Platzlösung V0
A) Kapitalgebundene Kosten (-) 153.012 p.a. 153.012 B) Verbrauchsgebundene Kosten (-) 9.191 p.a. 3.366
C) Betriebsgebundene Kosten (-) 50 p.a. 50
D) Sonstige Kosten (-) p.a. 0
Jahresgesamtkosten -162.253 p.a. -156.428
Ersparung jährlich 0 5.825
Abbilung 6.4.1: Ergebnis der „Wirtschaftlichkeitsberechnung“ Variante V0, vgl. Anhang: A5-
Ergebnis
Die Berechnung der kapitalgebunden Kosten in Höhe von jährlich 153.012 € sind in der
Wirtschaftlichkeitsberechnung in Tabelle „A_Kapitalkst“ berechnet (vgl. A5-A). Sie ergeben sich aus
der Investition in Höhe von 721.215 €, die für die 961 Arbeitsplätze bei der Erneuerung der
Einzelplatzrechner, wenn man eine 5 jährige Betriebs- und Tilgungsdauer bei derzeit 2% Zinssatz
berücksichtigt. Es entstehen dadurch inclusive Zinsen jährliche Kosten in Höhe von 153.012 €. Der
Betrag entspricht einem jährlich annuitätisch getilgtem Darlehnsbetrag für 721.215 € Darlehnssumme.
Im Anhang: A5-A werden auf diese Weise für jede Investitionsvariante jeweils die Zusammensetzung
Gesamtinvestition in Zeile 33 (Summe Zeile 20+21) und die daraus berechneten, jährlichen
kapitalgebundenen Kosten / Annuität in der Zeile 41 angegeben.
Bei den betriebsgebunden Kosten wurden hier 50 € pauschal angesetzt- diese haben nur bei
weitergehenden Betrachtungen eine Bedeutung.
Bildet man die Differenz der Jahresgesamtkosten aus Einzelplatzlösung und Serverclientlösung V0 so
ergibt sich jährliche Einsparung in Höhe von 5.825 € für das BBZ, die dann exakt der
Stromkosteneinsparung entspricht, da die Differenz von A) Kapitalgebundene Kosten und B)
Betriebsgebundene Kosten B) jeweils gleich „0“ ist.
Stellt man auf die reine Stromverbrauchseinsparung bei angenommenen, gleichen Investitionskosten
der Einzelplatz- oder der der Server-Client-Lösung ab, dann kann man hier bereits das Hauptergebnis
15
der bezüglich der Energieeinsparung festlegen: Bei gleichen Investitionskosten kann eine
Stromkosteneinsparung in Höhe von jährlich 5.825 € realisiert werden, wenn man sukzessive bei
der Ersatzbeschaffung auf Server- (Thin)Client- Systeme im BBZ umstellt.
6.4.2 Spezifischer Anschaffungspreis je Server–Client höher (V2) oder niedriger (V3) als die Einzelplatzlösung
In einem weiteren Berechnungsbeispiel wurde nunmehr angenommen, dass die spezifischen Kosten
für eine Server-Client-Lösung je Arbeitsplatz um 100 € teurer sind als bei der Einzelplatzlösung (700
€ statt 600 €). Die kapitalgebundenen Kosten sind in der Folge unterschiedlich, die Einsparung bei den
verbrauchsgebundenen Kosten (B)) sind gleich denen in Abschnitt 6.4.1. In Abb. 6.4.2 ist das
Ergebnis dargestellt (V2): Vergleicht man die Serverlösung V2 mit der Einzelplatzlösung entstehen
bereits Mehrkosten („ - “) in Höhe von jährlich 14.577 €.
In Variante V3 sind geringere spezifischen Kosten für eine Server-Client-Lösung je Arbeitsplatz
angenommen worden (500 € statt 600 €). Die niedrigeren Investitionskosten ergeben jährlich
Kapitalgebundene Kosten in Höhe von nur noch 136.027 € statt 162.253 € für die Einzelplatzlösung.
Insgesamt steigert dies die jährliche Einsparung von 5.825 € auf 26.226 € (vgl. Abb 6.4.2).
Einzel- Serverclient V0
Serverclient V1 Serverclient V2
Platzlösung V0 V1 V2
A) Kapitalgebundene Kosten (-) 153.012 p.a. 153.012 173.413 132.610 B) Verbrauchsgebundene Kosten (-) 9.191 p.a. 3.366 3.366 3.366
C) Betriebsgebundene Kosten (-) 50 p.a. 50 50 50
D) Sonstige Kosten (-) p.a. 0 0 0
Jahresgesamtkosten -162.253 p.a. -156.428 -176.830 -136.027
Ersparung jährlich 0 5.825 -14.577 26.226
Abbilung 6.4.2: Ergebnis der „Wirtschaftlichkeitsberechnung“ Variante V0-V2, vgl. Anhang: A5-
Ergebnis bei jeweils 5 Jahren Nutzungsdauer
6.4.3 Die Server-Client-Varianten V1, V2 und V3 mit Nutzungsdauer 10 Jahre
Die nachfolgenden Varianten unterscheiden sich gegenüber den vorherigen nur durch eine Variation
der Nutzungsdauer bei den Server-Client Lösungen (V1 bis V3).
Für die Einzelplatzlösung: 5 Jahre
Für die Server-Client- Lösung: 10 Jahre
Diese Annahme ist durchaus realistisch, weil die Hardware bei Server-Client-Systemen tatsächlich
durchaus 10 Jahre Nutzungsdauer erreicht.
Die Auswirkung auf die jährliche Einsparung ist hier außerordentlich groß, weil die Reduktion der kapitalgebundenen Kosten insbesondere bei dem niedrigen Zinssatz von 2% extrem vorteilhaft ist (vgl. Abb 6.4.3). Bereits bei gleichen ! Investitionskosten für die Einzelplatzlösung und der Server-Client Variante V0 halbieren sich die jährlichen, kapitalgebundenen Kosten nahezu (jährlich 80.290 € statt 153.012 €). Zusammen mit der jährlichen Stromkosteneinsparung ergibt sich eine jährliche Einsparung von
78.546 €.
16
Die realistische Einschätzung der Lebensdauer für die Client- Varianten hat danach die entscheidendste Auswirkung auf die Wirtschaftlichkeit des Systems. Hier spielt es nur noch eine untergeordnete Rolle, ob die Server-Client Lösung z.B. 100 € Mehrkosten gegenüber der Einzel-PC- Lösung verursachen würde. Vergleicht man die beiden Varianten (also V1 mit Einzelplatz) dann beträgt die Einsparung trotz Mehrkosten bei der Investition immerhin noch 67.841 € jährlich!
Einzel- Serverclient V0
Serverclient V1 Serverclient V2
Platzlösung V0 V1 V2
A) Kapitalgebundene Kosten (-) 153.012 p.a. 80.290 90.996 69.585 B) Verbrauchsgebundene Kosten (-) 9.191 p.a. 3.366 3.366 3.366
C) Betriebsgebundene Kosten (-) 50 p.a. 50 50 50
D) Sonstige Kosten (-) p.a. 0 0 0
Jahresgesamtkosten -162.253 p.a. -83.707 -94.412 -73.001
Ersparung jährlich 0 78.546 67.841 89.251
Abbildung 6.4.3: Ergebnis der „Wirtschaftlichkeitsberechnung“ Variante V0-V2, vgl. Anhang: A5-
Ergebnis bei unterschiedlicher Nutzungsdauer der Systeme (5 u 10 Jahre).
7. Zusammenfassung und Ausblick
In erster Linie sollte bei diesem Vergleich von den beiden vorgestellten Varianten der Ausstattung von
Computerräumen im BBZ die Stromeinsparung im Vordergrund stehen. Geht man zunächst von
gleichen Investitionskosten der Hardware für die vorherrschende Einzelplatzlösung und der Server-
(Thin)Client-Lösung aus, dann beträgt das jährliche Stromeinsparpotential im BBZ jährlich 23.764
KWh, etwa dem Stromverbrauch von ca. 8 Haushalten. Dies entspricht einer ermittelten
Kosteneinsparung in Höhe von 5.825 € pro Jahr.
Durch eine sukzessive Umstellung der Computerräume auf diese ohnehin im Trend liegende Technik,
würde man das komplette Einsparpotential erschließen.
Wie in Abschnitt 3.3.4 aufgezeigt, sind die jährlichen Standby-Kosten im BBZ fast so hoch wie der
Verbrauch, der durch die tägliche Nutzung der Bildschirme im Jahr entsteht. Für das BBZ beträgt der
Standby Verbrauch 12.300kWh/a, das sind jährlich weitere ca. 2.700 €. Schaltet man zumindest in den
ca. 13 Ferienwochen und am Wochenende auch die Stromzufuhr der PCs ab (z.B. Sicherung), dann
könnte man bereits ohne zusätzlichen Installationsaufwand nahezu die Hälfte des Einsparpotentials,
also ca. 6.000 KWh und 1.350 € jährlich, realisieren. Das volle Einsparpotential könnte man durch die
einfache Nachrüstung eines zentralen Hauptschalters erschließen, den die Lehrkraft nach
Unterrichtsende ausschaltet. Hier könnte ggf. eine anschließende, zusätzliche Untersuchung noch
detaillierter darüber Aufschluss geben.
Insgesamt wird als Ergebnis mit dieser Ausarbeitung ein relativ leicht zu erschließendes
Stromeinsparpotential von insgesamt 36.064 KWh/a und 8.525 €/a für das BBZ aufgezeigt, das die
Verfasser zur Umsetzung empfehlen.
In einer zusätzlichen finanzmathematischen Betrachtung wurde im letzten Kapitel (6.4.3) noch der
Einfluss der Anlagenlebensdauer auf die Wirtschaftlichkeit der jeweiligen Variante untersucht. Als
durchaus realistischer Ansatz wurde die Lebensdauer des Server-Client-Systems mit 10 statt 5 Jahren
17
angesetzt. Je nach Mehrkosten pro Einzelplatzsystem ergeben sich dann enorme jährliche
Einsparungen in Höhe von 67.841 € bis 89.251 €. Das alleine würde natürlich bereits ausschlaggebend
für die Einführung einer (Thin)Client-Lösung sprechen.
Selbst wenn solche, rein betriebswirtschaftlichen Zusatzaspekte zu einer Umsetzung der erarbeiteten
Energieeinsparvorschläge führen würden, hätte das Wahlfach Photovoltiaik II- Energieeffizienz der
RDF als Verfasser bereits das Ziel dieser Untersuchung erreicht.
Es wird in diesem Zusammenhang auch die rege Nutzung der beiliegenden Excel-
Wirtschaftlichkeitsberechnung empfohlen, mit der man auch weitere betriebswirtschaftliche
Rahmendaten verändern oder an die gewünschten oder modifizierten individuellen Rahmendaten
anpassen kann.
Ausblick:
Durch Informationsveranstaltungen im Berufsbildungszentrum möchten die Verfasser den
interessierten Lehrkräften, Schülern und insbesondere Entscheidern bei der Beschaffung von
Hardware und der Verwaltung die Handhabung des Excel-Berechnungstools in Referaten und
Gesprächen gerne erläutern. Interessierte bitten wir um Rückmeldung per Telefon oder E-Mail: Dipl.
Ing. C.Walter, B2-RDF (0911 231-8828 Lehrerzimmer, o. -8825 Sekretariat o. per e-mail:
Nicht zuletzt bedanken sich die Verfasser für die freundliche Unterstützung
- bei allen Verantwortlichen in den Schulen des BBZ
- bei der Schulleitung und Verwaltung der Assembly of God Church School in Rupaidiha (Indien)
für die Projektidee und die bisherige Zusammenarbeit.
- bei allen Mitwirkenden und Helfern dieser Arbeit, z.B. Schülern, Lehrkräften, Verwaltung
Nürnberg, 24.06.2016
Wahlfach Photovoltaik II- Energieeffizienz
Anhang: A1,….. A7
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
1617
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
A B C D E F G H I
Projekt: Prem Seva Church School, Rupaidiha, India A1
Load Analysis A) (Without replacement of consumers/ higher efficiency)
Consumers Housing Qantity
Power
[W]
Total
Power
[W]
Average
daily use
[h]
Energie
[Wh]
Energie
[KWh]
pices Watt Watt hours Units /Wh
Units
/KWh
TV 8 60 480 2 960 0,96
Tube light 90 40 3600 5 18000 18,00
C.F.L 11W 190 10 1900 5 9500 9,50
Fan 85 85 7225 7 50575 50,58
Washing Maschine 6 1700 3400 2 2 6800 6,80
Fridge old 1 150 150 3,00
Fridge new 1 35 35 24 840 0,84
Fridge 11 150 1650 33,00
Computer 12 75 900 1,5 1350 1,35
Others 2 500 1000 1 1000 1,00
Total housing 20340 125
Electricity Consumers School
Tube light 80 40 3200 6 19200 19,20
C.F.L 20W (average) 80 20 1600 6 9600 9,60
Fan 145 85 12325 6 73950 73,95
Computer 12 20 240 2 480 0,48
Computer Office 11 48 528 6 3168 3,17
Total School 17365 103
AC 3000 0 0,00
Geyser 2000 0 0,00
sum: 37705 VA
38 KVA 228
KWh/d
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
4748
49
50
51
52
53
54
5556
57
58
59
60
61
A B C D E F G H I
Load Analysis B) (After replacement of consumers/ higher efficiency)
Consumers SchoolConsumers HousingQantity
Power
[W]
Power
[W]
daily use
[h]
Energie
[Wh]
Energie
[KWh]
pices Watt Watt hours Units /Wh
Units
/KWh
TV 8 60 480 2 960 0,96
Tube light 90 18 1620 5 8100 8,10
C.F.L 11W 190 10 1900 5 9500 9,50
Fan 85 35 2975 7 20825 20,83
Washing Maschine 6 1700 3400 2 2 6800 6,80
Fridge 13 35 455 13,00
Computer 5 150 750 3 2250 2,25
Others 2 500 1000 1 1000 1,00
Total housing 12580 62,44
AC Consumers School
Tube light 80 18 1440 6 8640 8,64
C.F.L 11W 80 20 1600 6 9600 9,60
Fan 145 35 5075 6 30450 30,45
Computer 12 20 240 2 480 0,48
Computer Office 11 48 528 6 3168 3,17
Total School 8355 49,17
AC 3000 0 0,00
Geyser 2000 0 0,00
sum: 20935 VA
21 KVA 112
KWh/d
Messprotokoll Energieverbrauch für KEIM Projekt / B2 A3
Raum
Lehrkraft
Name /Kürzel
Anz.
PC´s
Einzel-
Server
(E/S)
Pel-
Bild
[W]
cos
phi
Pel-
PC
[W]
cos
phi
Ggf. Pel-
Netz-
komp.
[W]
Zentral
Ein/Aus
vorh.?
(ja/nein)
Bele-
gung
pro
Woche
[h]
Anz.
ben.
PC´s Bemerkungen /Besonderheiten
EU119 Zeiß 13 E 18 0,58 42 0.84 2 / Nein 18 10
EU121 Hofmann 14 E 18 0,57 41 0.84 2 / Nein 30 15
EU137 Hofmann 13 E 18 0,58 41 0,85 2 / Nein 15 12
EU141 Stempfle 16 E 19 0,56 80 0,83 2 / Nein 20 10
EU143 Schober 16 E 18 0,58 42 0,84 2 / Nein 15 10
EU145 Walther 16 E 18 0,58 42 0,84 2 / Nein 30 15
A117 Hollering 10 E 19 0,58 89 0,77 2 / Nein 1 10 Cisco Labor, wird selten genutzt
A118 Hofmann 16 E 17 0.66 80 0,82 2 / Nein 28 12 Informatiker
A119 Schaar 16 E 17 0,65 79 0,82 2 / Nein 25 12 Informatiker
A120 Hollering 16 E 18 0,59 78 0,8 2 / Nein 25 12 Informatiker
A125 Wehfritz 16 E 40 0,85 41 0,79 2 / Nein 12 12
Gesamt: 162 130
PC`s / Raum (Durchschnitt) 15 12
Bemerkungen: Schule / Raum Nr. / B2 RDF Komplett
Messprotokoll Energieverbrauch für KEIM Projekt / B6 A4
Räume
Raumbe-
treuer
Anz.
PC´s
Einzel-
Server
(E/S)
Pel-
Bild
[W]
cos
phi
Pel-
PC
[W]
cos
phi
Pel-
Stand-
by [W]
Ggf. Pel-
Netz-
komp.
[W]
Zentral
Ein/Aus
vorh.?
(ja/nein)
Belegung
[h/Woche]
Anz.
ben.
PC´s
Bemerkungen
/Besonderheiten
B094 Hr.Niesner 14 E 83 0,96 0 0 1 27 14 Bildschirm mit Pc
B098 Hr.Niesner 16 E 82 0,84 0 0 1 Ja 24 13 Bildschirm mit Pc
B88 Hr.Niesner 15 E 87 0,91 0 0 1 Ja 26 12 Bildschirm mit Pc
E12 Hr.Niesner 16 E 90 0,89 0 0 1 Ja 15 12 Bildschirm mit Pc
E20 Hr.Niesner 15 E 89 0,9 0 0 1 29 13 Bildschirm mit Pc
B84 Hr.Niesner 16 E 85 0,91 0 0 1 15 13 Bildschirm mit Pc
B92 Hr.Niesner 15 E 83 0,89 0 0 1 23 14 Bildschirm mit Pc
B99 Hr.Niesner 14 E 85 0,84 0 0 1 22 13 Bildschirm mit Pc
C117 Hr.Niesner 14 E 86 0,89 0 0 1 21 12 Bildschirm mit Pc
A218 Hr.Niesner 16 E 17 0,84 61 0,84 1 15 16
A223 Hr.Niesner 16 E 17 0,84 61 0,84 1 18 16
A313 Hr.Niesner 12 E 17 0,84 61 0,84 1 15 12
A319 Hr.Niesner 12 E 17 0,84 61 0,84 1 25 12
A318 Hr.Niesner 12 E 17 0,84 61 0,84 1 12 12
Gesamt: 203 184
PC`s / Raum (Durchschnitt) 15 13
Bemerkungen: Berufsschule 6
Schule / Raum Nr. / Bezeichnung: B6/ B094 / Messtechnik
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
A B C D E F
A5-Erg.Datum: 24.06.2016
Wirtschaftlichkeitsberechnung für eine Server-Client Lösung nach den Grund-
sätzen der VDI 2067 (Annuitätenverfahren) und VDI 6025
KEIM-Server-Client-System:
Zinssatz: 2,0%
Lebensdauer Einzellösung 5 Jahr/e
Lebensdauer Server- Client Lösung 5 Jahr/e
Investitionen / Berechnungsvarianten
Preis / PC 600,00 €
Preis / Bildschirm 150,00 €
Preis Einzelplatzlösung 750,00 €
Varianten Server Client Lösung
Variante 1 - Mehr- / Minderkosten 0,00 € (je Arbeitsplatz)
Variante 2 - Mehr- / Minderkosten 100,00 € (je Arbeitsplatz)
Variante 3 - Mehr- / Minderkosten -100,00 € (je Arbeitsplatz)
Energiedaten Vergleich
Stromverbr. Einzel PC 49,04 W
Bildschirm 21,32 W
Stromverbr. Server PC 200,00 W
Client 8,00 W
Aktueller spezifischer Energiepreis (BBZ) 22,04 ct/kWh
Spezifischer Energiepreis d. eingesparten Energie 24,51 ct/kWh
Allgemeine Angaben zum Schulbetrieb / BBZ Durchschnitt BBZ
Schulwochen im Jahr 38 Wo/a (Tab.: D_Aus..)
Durchschn. Laufzeit/ Woche 16,22 h 16,22
Anzahl Räume 66 St 66
Durchschn. Anzahl PCs / Raum 14,57 St 14,57
Einzel- Serverclient VServerclient VServerclient V2
Platzlösung V0 V1 V2
A) Kapitalgebundene Kosten (-) 153.012 p.a. 153.012 173.413 132.610
B) Verbrauchsgebundene Kosten (-) 9.191 p.a. 3.366 3.366 3.366
C) Betriebsgebundene Kosten (-) 50 p.a. 50 50 50
D) Sonstige Kosten (-) p.a. 0 0 0
Jahresgesamtkosten -162.253 p.a. -156.428 -176.830 -136.027
Ersparung jährlich 0 5.825 -14.577 26.226
Hinweise zur Eingabe / zum Programm
Hier werden Ergebnisse aus anderen
Zellen / Tabellen übernommen oder ausgegeben
Hier können Daten eingegeben werden
Hier werden Daten übernommen und berechnet
KEIM 2016(Keep energy in mind)
Wirtschaftlichkeitsberechnung
Datei:
BBZ Wirtschaftlichkeit Server-Client
Tabelle:
Ergebnis
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
A B C D E F G H I J K L M N
Energieverbrauchsbetrachtung ("KWh")
Einzelplatz + Bildschirm Client + Bildschirm Server (anteilig je Client)
15597,48 h 15597,48 h 15597,48 h 15597,48 h 1070,52 h
765 kWh 333 kWh 125 kWh 333 kWh 15 kWh
1.097 kWh 458 kWh
592704,10 h 592704,10 h 592704,10 h 592704,10 h 40679,76 h
Verbrauch/Jahr/Einzeln 29064 kWh 12636 kWh 4.742 kWh 12.636 kWh 558 kWh 11,8% v. Client
41.701 kWh 17.937 kWh
9.191 € 3.366 €
Energieersparnis p. a. 23.764 kWh Spezifischer Preis 18,77 ct/KWh (nur für Server-Client-Lösung mit Bonus)
Kostenersparnis gesamt p. a. 5824,62 € Spezifischer Preis 22,04 ct/KWh (aus Rechnung für Einzelplatzlösung)
Davon Leistungspreisred. 1312,10 €
Leistungsbedarfsbetrachtung ("KW- Spitze")
Einzelplatz Bildschirm Client Bildschirm Server Bildschirm
49 W 21 W 8 W 21 W 200 W 21 W
70,36 W 29,32 W 221,32 W
Leistung der Gesamt PCs 67,66 kW 28,19 kW 14,61 kW
67,66 kW 42,80 kW
Leistungsdifferenz 24,85 kW
Reduktion der Lastspitze 12 KW (Annahme)
Laufzeit/Woche/Einzeln
Energiekosen/Jahr/Gesamt
Verbrauch/Woche/Einzeln
Laufzeit/Jahr/Einzeln
A5
-B
B) Verbrauchsgebundene Kosten
Leistung/PC bzw. Client/Server
Verbrauch/Woche/Gesamt
Verbrauch/Jahr/Gesamt
Datei:
BBZ Wirtschaftlichkeit Server-Client
Tabelle:
B_VerbrauchsKosten
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
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15
16
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18
19
20
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29
30
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33
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39
40
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43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
A B C D E F G H I
Daten aus der Stromrechnung Dez 2015 (01-12/2015)
KWh/a
KWh/a
KWh/a
KW
€/a
€/a
€/a
ct/KWh
Monatsrechnung Dez 2015 ohne Leistungsreduzierung
31 Tage
960 KW 7,41 €/KW/30d 7.350,72 €
63.514 KWh 6,05 ct/KWh 3.842,60 €
190.622 KWh 7,58 ct/KWh 14.449,15 €
132,49 € 132,49 €
254.136 KWh 8,377 ct/KWh 21.288,97 €
47.063,93 €
8.942,15 €
56.006,07 €
22,04 ct/KWh
(2 Stellen gerundet)
Annahme Leistungsreduktion durch Server Client Lösung 12 KW
(Annahme)
Monatsrechnung Dez 2015 mit Leistungs- und Energieeinsparung
31 Tage
948,00 KW 7,41 €/KW/30d 7.258,84 €
63.514 KWh 6,05 ct/KWh 3.842,60 €
188.642 KWh 7,58 ct/KWh 14.299,04 €
132,49 € 132,49 €
252.156 KWh 8,377 ct/KWh 21.123,08 €
46.656,04 €
Differenz KWh monatlich: 1.980 8.864,65 €
Differenz KWh jährlich: 23.764 55.520,69 €
Einsparung Leistungspreis:
Monatliche Einsparung Leistungspreis (G20-G35), ohne Mwst: 91,88 €
Monatliche Einsparung Leistungspreis (G20-G35), incl. Mwst: 109,34 €
Jährliche Einsparung Leistungspreis incl. Mwst: 1.312,10 €
Einsparung gesamt (Leistungs- und Energiepreis):
Monatliche Einsparung Leistung+Energie, incl. Mwst: 485,39 €
Jährliche Einsparung Leistung+Energie, incl. Mwst: 5.824,62 €
Spezifischer Wert der eingesparten KWh 24,510 ct/KWh
A5-B2
B-2) Verbrauchsgebundene Kosten-Stromrechnung
21,935
99.021,64
Jahresverbrauch BBZ Zeitraum HAT:
Jahresstromverbrauch BBZ Zeitraum NT:
Jahresstromverbrauch BBZ gesamt:
Lastspitze im Jan./Febr.:
Jahresrechnungsbetrag netto, ohne Mwst.:
19% Mwst.:
Umlagen und Steuern
Jahresrechnungsbetrag brutto, incl. Mwst.:
Spezifischer Strompreis incl.Mwst.:
1.941.051
2.827.385
886.334
1.031
521.166,54
620.188,18
Incl. Mwst.:
Arbeit NT abzgl. Einsparung
Leistungspreis
Arbeit NT
Arbeit HT
Messpreis
Spez.Preis
Netto
Mwst.:
Mwst.:
Incl. Mwst.:
Leistungs gemindert
Arbeit HT abzgl. Einsparung
Messpreis
Umlagen und Steuern
Netto
Datei:
BBZ Wirtschaftlichkeit Server-Client
Tabelle:
B2_Stromrechnung
Tab.: C-D)Kost
Kommentar/ Hinweis
C) Betriebsgebundene Kosten/a
Fernwartung 50,00 € (pauschaler Ansatz)
Betreuung
Vollwartungsvertrag
50,00 €
D) Sonstige Kosten/a
Versicherung Blitzschlag:
Elektronik Versicherung:
0,00 €
Kommentar/ Hinweis:
A5-C
Datei:
BBZ Wirtschaftlichkeit Server-Client-21,95ct statt 27ct
Tabelle:
C_D_ Kost
Install. PCs
/je Raum
(Ø) Räume
PCs (inst.)
je Schule
Belegte PCs
/je Raum
(Ø)
Schulstunden
pro Woche
Benutzungss
tunden /
Woche
Leistungs-
aufnahme
PC
Leistungs-
aufnahme
Bildschirm
Leistungs-
aufnahme
Standby
Leistungs-
aufnahme
gesamt
[St.] [St.] [St.] [St.] [Anz/w] [h/Woche] [W] [W] [W] [W]
B2 15 11 165 12 19,09 14,32 46,90 17,90 1,60 64,80
B3 29 1 29 29 12,00 9,00 40,00 20,00 2,57 60,00
B5 15 3 45 10 21,10 15,83 45,12 20,37 1,00 65,49
B6 15 14 210 13 20,50 15,38 1,00 83,97
B8 16 4 64 15 23,25 17,44 41,00 27,25 0,70 68,25
B9 18 28 504 9 39,43 29,57 40,00 17,00 2,12 57,00
B11 14 5 70 14 16,00 12,00 81,20 25,40 2,00 106,60
Summe (BBZ) 66 1087
Durchschnitt (BBZ) 17,43 14,57 21,62 16,22 49,04 21,32 1,57 72,30
(Der Standbybetrieb wurde hier nicht mit einbezogen, sondern nur der Verbrauch bei Benutzung)
Hier werden Werte aus den Messergebnissen eingetragen
A5
-DAnzahl Ø Leistung/Platz
CPU in Bildschirm integriert
Ø Benutzung
D) Auswertung_Messergebnisse
Dateiname:
BBZ Wirtschaftlichkeit Server-Client
Tabellename:
D_Auswertung_Messergebnisse
Projekt Photovoltaikanlage
Wirtschaftlichkeitsberechnung Datum:
Seite: 1
Die Wirtschaftlichkeitsberechnung (Kosten- Nutzenrechnung)
1) Einfaches Berechnungsmodell - Amortisationsdauer einer Investition
Formel:
Amortisationsdauer = Anschaffungsausgabe / Einnahmenüberschuss Ausrechnen: Durchschnittlicher jährlicher Einnahmenüberschuss: 1.295 €/a Anschaffungsausgabe: 10.000 €
Amortisationsdauer in Jahren:
7,72 Jahre
Beispiel: Investition: 10.000 € , Jährlicher Einnahmenüberschuss: 1.295 €/a
2) Die Annuitätenmethode
Verschiedene betriebstechnische und wirtschaftliche Grundlagen sowie Wirtschaftlichkeits-berechnungsverfahren werden in der VDI 6025 (Betriebswirtschaftliche Berechnungen für Investitionsgüter und Anlagen, Nov. 96 S.1-150) erläutert. Mit Hilfe der Annuitätenmethode kann man die Wirtschaftlichkeitsberechnung von energietechnischen Anlagen durchführen. Zur betriebswirtschaftlichen Beurteilung der Investition einer technischen Anlage dienen (in Anlehnung an die Grundsätze der VDI 2O67) die Gegenüberstellungen der Jahresgesamtkosten pro Zeitabschnitt. Unter Jahresgesamtkosten wird die Summe aus folgenden Kostengruppen verstanden: (+) Einnahmen
(-) A) Kapitalgebundene Kosten (Zins + Tilgung, Instandsetzung und Erneuerung),
(-) B) Verbrauchsgebundene Kosten (bzw. arbeitsabhängige, wie Brennstoffe o.ä.),
(-) C) Betriebsgebundene Kosten (z.B. Wartung, Betätigung),
(-) D) Sonstige Kosten (Versicherungen)
Jahresgesamtkosten
Die Anlage kann wirtschaftlich betrieben werden / ist wirtschaftlich, wenn gilt: Jahresgesamtkosten > 0 ( also Einnahmen > Ausgaben) pro Zeitabschnitt Überschuss: ( + ), Verlust ( - ) Die Investitionen gehen nicht unmittelbar, sondern über die rechnerische Nutzungsdauer n (in Jahren) und über den Aufwand für Instandsetzung und Erneuerung in die Kostenberechnung ein (vgl. Beispielrechnung weiter unten). Die kapitalgebundenen Kosten sind die Summe der Kapital- und Instandsetzungskosten. Die Instandsetzung ist der Aufwand, der während der (rechnerischen) Nutzungsdauer zur Erhaltung des bestimmungsgemäßen Gebrauchs erbracht werden muss, um die
A6
Projekt Photovoltaikanlage
Wirtschaftlichkeitsberechnung Datum:
Seite: 2
durch Abnutzung, Alterung und Witterungseinwirkung entstehenden baulichen oder sonstigen Mängel ordnungsgemäß zu beseitigen. Dabei folgt die Berechnung der Kapitalgebundenen Kosten, der auch in der Investitionsrechnung der Elektrischen Energieversorgung üblichen Annuitätenmethode. Sie trifft eine Aussage über die
finanzmathematischen durchschnittlichen Einnahmen und Ausgaben pro Zeitabschnitt. Als Zeitabschnitt wird meist das Jahr gewählt. Die Annuitätsmethode verwendet zur Ermittlung dieser Werte die aus der Rentenrechnung bekannten Regeln für die Umwandlung eines Kapitalbetrages in einen, jeweils am Jahresende fälligen Betrag von gleichbleibender Höhe. Die Umwandlung erfolgt in der Weise, dass die Investiton mit dem Annuitätsfaktor 1/an multipliziert wird, der vom gewählten Kalkulationszinssatz (p), den Faktor q =
1+p und der Zeitdauer (n) der Betrachtung abhängt. Der Annuitätsfaktor kann aus Tabellen entnommen oder mit Hilfe folgender Formel berechnet werden:
1
)1(/1
−
−=
n
n
nq
qqa (1)
Die jährliche Annuität A (oder Kapitaldienst) ergibt sich dann mit der Investition I aus folgender Formel: naIA /1⋅= (2)
Berechnungsbeispiel:
Mit Berücksichtigung der prozentualen Instandsetzungskosten ergibt sich dann folgendes Beispiel zur Berechnung der jährlichen kapitalgebundenen Kosten für eine Kostengruppe: Gegeben: Investition I: 10.000 € Zinsatz p: 5 % q = 1+p: 1,05 (=1+5% = 1,05) Rechnerische Nutzungsdauer: 10 Jahre Annuitätsfaktor: 12,95 % (0,1295) nach (1)
Einsetzen in Gleichung (1): 1295,0105,1
)105,1(05,1
1
)1(/1
10
10
=
−
−×=
−
−=
n
n
nq
qqa
=> Kapitalgebundene Kosten: 10.000 € * 12,95 % /a = 1.295 € /a (2) (jährliche Annuität)