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Nachhaltig arbeiten im Ausbildungsbetrieb – Energieverbrauch im Arbeitsablauf erkennen

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Einleitung

Nachhaltig arbeiten im Ausbildungsbetrieb – Energieverbrauch im Arbeitsablauf erkennen ist ein kompakter Lernkurs für die berufliche Ausbildung. Du untersuchst, wann im Arbeitsablauf Energie tatsächlich für die Arbeit gebraucht wird und wann Energie ohne direkten Produktionsnutzen fließt. Im Mittelpunkt stehen Betriebszustände, Leerlauf und Systemgrenzen.

Der Kurs nutzt einen fiktiven Ausbildungsfall. Alle Messwerte, Kosten und Betriebsdaten im Fall sind erfunden und dienen nur zum Lernen. Reale Betriebsdaten werden nicht hochgeladen und nicht an externe KI-Dienste übermittelt.

Beschriftung: links = Bedienplatz | Mitte = CNC-Bearbeitungszentrum | oben = Absaugung

Lernziele

Nach dem Kurs kannst Du Betriebszustände unterscheiden, Leerlaufverluste im Arbeitsablauf erkennen, eine passende Systemgrenze festlegen, Energie aus Leistung und Zeit berechnen und eine energiesparende Maßnahme unter Beachtung von Sicherheit, Qualität und Betriebsanforderungen begründen.

Kurze Lerneinheiten

Lerneinheit	Kernfrage	Richtzeit
Beobachten	Wo fließt Energie im Arbeitsablauf?	kurz
Betriebszustände	Produziert die Anlage gerade Nutzen?	kurz
Leerlauf	Welche Leistung bleibt ohne Arbeitsfunktion aktiv?	kurz
Systemgrenzen	Welche Verbraucher gehören zur Betrachtung?	kurz
Entscheiden	Was darf sinnvoll reduziert oder abgeschaltet werden?	kurz

Sicherheit, Datenschutz und betriebliche Regeln

Arbeitssicherheit: Schalte Maschinen, Absaugungen, Kühlung oder Druckluft niemals entgegen Betriebsanweisung, Freigabe oder Sicherheitsanforderung ab.
Messtechnik: Elektrische Messungen an Verteilungen, Schaltschränken oder Leitern gehören nur in die Hände entsprechend qualifizierter und beauftragter Personen.
Datenschutz: Nutze im Kurs fiktive oder ausdrücklich freigegebene Daten. Keine ungefragten Uploads von Produktions-, Kunden- oder Maschinendaten.
Künstliche Intelligenz: Für die Aufgaben ist kein externer KI-Zugriff erforderlich. Betriebsdaten sollen nicht ohne Freigabe an externe KI- oder Cloud-Dienste übertragen werden.

Ausbildungsfall: WerkForm GmbH

Du bist im zweiten Ausbildungsjahr bei der fiktiven WerkForm GmbH. In der Ausbildungswerkstatt werden Kleinserien an einem CNC-Bearbeitungszentrum gefertigt. Zum Arbeitsbereich gehören die Maschine, eine Absaugung und ein Druckluftanschluss.

Für einen Auftrag ist eine Pause von 30 Minuten geplant. Die Ausbilderin fragt:

„Welche Energie wird in der Pause gebraucht – und welche nur deshalb verbraucht, weil Anlagen weiterlaufen?“

Fiktive Leistungsdaten

Betriebszustand	CNC	Absaugung	zugeordneter Druckluft-Anteil	Summe in der Prozessgrenze
Bearbeitung	12,0 kW	7,0 kW	1,5 kW	20,5 kW
Rüsten	1,2 kW	0,0 kW	0,3 kW	1,5 kW
Leerlauf	3,8 kW	7,0 kW	1,5 kW	12,3 kW
Energiesparmodus	0,6 kW	0,0 kW	0,2 kW	0,8 kW

Wichtig: Die Werte sind vollständig fiktiv. Der „Druckluft-Anteil“ ist eine Lernannahme. In einem echten Betrieb muss geklärt werden, wie der Verbrauch der zentralen Druckluftversorgung gemessen oder sinnvoll zugeordnet wird.

Lerneinheit 1: Energie im Arbeitsablauf sichtbar machen

Energie wird im Betrieb häufig nicht nur vom Kernprozess genutzt. Auch Steuerung, Kühlung, Absaugung, Pumpen, Beleuchtung oder Druckluft können Energie benötigen. Für eine belastbare Analyse werden deshalb Energieströme erfasst und einem Arbeitsablauf zugeordnet.^[1]

Beschriftung: Anzeige = erfasste elektrische Energie | Messpunkt = Grenze der betrachteten Versorgung

Merksatz: Erst beobachten, dann messen, dann bewerten.

Mini-Auftrag: Energiepfad

Ordne für den Ausbildungsfall gedanklich zu:

Energiequelle → Maschine oder Nebenaggregat → Betriebszustand → Arbeitsnutzen

Eine laufende Absaugung kann während der Bearbeitung notwendig sein. In einer Pause ohne Staubentstehung kann dieselbe Leistungsaufnahme dagegen vermeidbar sein, sofern Betriebs- und Sicherheitsregeln ein Abschalten erlauben.

Lerneinheit 2: Betriebszustände unterscheiden

Eine Maschine hat nicht nur die Zustände „an“ und „aus“. Für Energieanalysen ist wichtig, ob sie produziert, vorbereitet wird, wartet oder in einen Energiesparzustand wechseln kann.

Beschriftung: Standby-Symbol = Bereitschaft mit reduziertem Energieverbrauch, nicht zwingend vollständige Netztrennung

Zustand	Typische Funktion	Leitfrage
Aus	keine vorgesehene Arbeitsfunktion	Ist wirklich keine Energieversorgung mehr nötig?
Standby	schnelle Bereitschaft mit reduzierter Leistung	Welche Komponenten bleiben aktiv?
Leerlauf	Anlage läuft, aber erzeugt gerade keinen Arbeitsnutzen	Warum läuft sie weiter?
Rüsten	Vorbereitung des Auftrags	Welche Energie ist für das Rüsten nötig?
Bearbeitung	eigentliche Nutzarbeit	Welche Verbraucher sind für den Prozess erforderlich?

Das Umweltbundesamt beschreibt Leerlauf als Energieverbrauch in Phasen, in denen ein Gerät seine eigentliche Funktion nicht erfüllt. Standby ist eine bekannte Form solcher Leerlaufverluste.^[2]

Schnellcheck

Frage: Die CNC wartet zehn Minuten auf Material. Steuerung und Absaugung laufen weiter. Ist das automatisch „notwendiger Verbrauch“?

Antwort: Nein. Zuerst muss geklärt werden, welche Funktionen für Sicherheit, Qualität, Wiederanlauf oder den Folgeprozess tatsächlich erforderlich sind.

Lerneinheit 3: Leerlauf erkennen

Leerlauf ist besonders interessant, weil Energie fließt, obwohl gerade keine eigentliche Bearbeitung stattfindet. In Produktionssystemen können auch Nebenaggregate einen großen Anteil an der Leistungsaufnahme haben.

Beschriftung: Motor und Verdichter = Energieeinsatz | Druckbehälter = Speicher | Druckluft = bereitgestelltes Arbeitsmedium

Bei Druckluft reicht es nicht, nur den Kompressor anzusehen. Erzeugung, Aufbereitung, Verteilung und Nutzung wirken als System zusammen. Das Umweltbundesamt empfiehlt bei der Effizienzbetrachtung eine ganzheitliche Sicht auf die Teilsysteme und verweist ausdrücklich auf die Bedeutung geringer Leerlaufzeiten von Kompressoren.^[3]

Videofall: Druckluft in der Werkstatt

Beobachtungsauftrag: Notiere nur drei Dinge: Wo wird Druckluft erzeugt? Wo kann sie unnötig verbraucht werden? Welche Maßnahme verändert nicht den eigentlichen Arbeitszweck?

Kurzvideofall: Leckage

Entscheidungsfrage: Ein Zischen ist in einer Pause hörbar. Sollst Du selbst eine Leitung öffnen?

Begründetes Feedback: Nein. Eine Auffälligkeit wird gemeldet und nach betrieblicher Regel durch befugte Personen geprüft. Energiesparen rechtfertigt keinen unsicheren Eingriff.

Lerneinheit 4: Systemgrenzen festlegen

Eine Systemgrenze legt fest, welche Geräte, Systeme und Energieflüsse in einer Untersuchung mitgezählt werden. Je nach Fragestellung kann dieselbe Maschine deshalb zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. klimaaktiv beschreibt die Systemgrenze als gedachte Grenze um die zu bewertenden Geräte oder Systeme; innerhalb dieser Grenze wird der Energieverbrauch gemessen oder geschätzt.^[4]

Systemgrenze	Enthalten	Zweck
Maschine	nur CNC	Maschinenzustände vergleichen
Prozesszelle	CNC, Absaugung, zugeordnete Druckluft	Energie des Arbeitsschritts betrachten
Werkstatt	Prozesszelle und weitere gemeinsame Verbraucher	größere betriebliche Wirkung abschätzen

Kernaussage: Eine Einsparung ist nur dann fair vergleichbar, wenn klar ist, was innerhalb und außerhalb der Systemgrenze liegt.

Beschriftung: Erzeugung → Aufbereitung/Speicherung → Verteilung → Nutzung; die Systemgrenze entscheidet, welche Stufen mitgezählt werden

Entscheidungssituation: gleiche Pause, andere Systemgrenze

Im Leerlauf zeigt die CNC allein 3,8 kW. Die gesamte Prozessgrenze liegt aber bei 12,3 kW.

Warum? Weil Absaugung und zugeordnete Druckluft außerhalb der engen Maschinengrenze liegen, innerhalb der Prozessgrenze aber mitgezählt werden.

Lerneinheit 5: Leistung, Zeit und Energie

Leistung beschreibt, wie schnell Energie umgesetzt wird. Für einen konstanten Leistungswert gilt im Lernfall:

Energie in kWh = Leistung in kW × Zeit in h

Für 30 Minuten Leerlauf:

12,3 kW × 0,5 h = 6,15 kWh

Für 30 Minuten Energiesparmodus:

0,8 kW × 0,5 h = 0,40 kWh

Fiktives Einsparpotenzial je Pause: 5,75 kWh

Bei 200 gleichartigen Arbeitstagen wären das rechnerisch 1.150 kWh pro Jahr. Das ist keine Prognose für einen realen Betrieb, sondern eine Rechenübung mit fiktiven Daten.

Beschriftung: Stromzange = Messprinzip für elektrischen Strom; Einsatz nur durch entsprechend qualifizierte Personen

Videofall: Antriebe und Motoren

Beobachtungsauftrag: Achte darauf, wann ein Antrieb tatsächlich Arbeit verrichtet und wann er lediglich betriebsbereit bleibt.

Gestufte Hilfen

Hilfe 1: Beobachten

Markiere zuerst nur den Zustand: Bearbeitung – Rüsten – Leerlauf – Standby – Aus. Noch nicht rechnen.

Hilfe 2: Systemgrenze

Frage: Welche Verbraucher müssen für genau meine Fragestellung mitgezählt werden? Zeichne gedanklich einen Rahmen um diese Verbraucher.

Hilfe 3: Rechnen

Wandle Minuten in Stunden um. Dann gilt für konstante Leistung: E = P × t.

Hilfe 4: Entscheiden

Eine gute Maßnahme senkt unnötigen Energieeinsatz, ohne Sicherheit, Produktqualität, Anlagenfreigaben oder einen notwendigen Wiederanlauf zu gefährden.

Basis-, Anwendungs- und Transferaufgaben mit Feedback

Basisaufgabe

Aufgabe: Eine Maschine läuft, bearbeitet aber kein Werkstück und wartet auf Material. Ordne den Zustand zu.

Feedback: Leerlauf ist passend, weil die Anlage Energie nutzt, ohne in diesem Moment ihre eigentliche Bearbeitungsfunktion zu erfüllen.

Anwendungsaufgabe

Aufgabe: Berechne mit den fiktiven Falldaten den Energieverbrauch einer 30-minütigen Pause im Leerlauf und im Energiesparmodus.

Feedback: Richtig sind 6,15 kWh und 0,40 kWh. Entscheidend ist die Umrechnung von 30 Minuten in 0,5 Stunden und die Verwendung derselben Systemgrenze.

Transferaufgabe

Aufgabe: Übertrage das Prinzip auf einen freigegebenen Arbeitsablauf in Deinem Ausbildungsbetrieb. Formuliere eine enge und eine weite Systemgrenze, ohne reale sensible Betriebsdaten zu veröffentlichen.

Feedback: Eine starke Lösung benennt bei beiden Grenzen eindeutig, welche Verbraucher enthalten sind und warum. Nur so lassen sich Ergebnisse nachvollziehbar vergleichen.

Interaktive Aufgaben

Entscheidungssituation: Was passt zur Lage?

Ordne die passende Entscheidung zu.	Situation
Energiesparmodus prüfen	Kurze Unterbrechung mit anschließendem Wiederanlauf
Nebenaggregate nach Freigabe abschalten	Längere Pause ohne Prozessbedarf
Nicht eigenmächtig eingreifen	Sicherheitsfunktion oder unbekannte Betriebsanforderung
Ursache melden und prüfen lassen	Hörbare Druckluftleckage
Systemgrenze erweitern	Maschine wirkt sparsam, Peripherie läuft aber weiter

Begründetes Feedback: Energiesparen ist dann fachlich sinnvoll, wenn der unnötige Anteil erkannt wird und die Maßnahme zur tatsächlichen Betriebssituation passt.

Quiz: Teste Dein Wissen

Was beschreibt Leerlauf im Kurs am besten? (Energieverbrauch ohne aktuelle eigentliche Arbeitsfunktion) (!Vollständige Netztrennung einer Maschine) (!Nur die Zeit einer Reparatur) (!Ausschließlich den Materialtransport)

Warum muss eine Systemgrenze festgelegt werden? (Damit klar ist welche Verbraucher in die Bewertung eingehen) (!Damit jede Maschine automatisch ausgeschaltet wird) (!Damit nur die Stromrechnung betrachtet wird) (!Damit keine Messung mehr nötig ist)

Welche Einheit passt zur elektrischen Energie im Lernfall? (kWh) (!kW) (!A) (!V)

Welche Formel wird im vereinfachten Lernfall verwendet? (Energie gleich Leistung mal Zeit) (!Energie gleich Leistung plus Zeit) (!Energie gleich Zeit geteilt durch Leistung) (!Energie gleich Spannung minus Strom)

Welche Komponente kann außerhalb einer engen Maschinengrenze liegen? (Absaugung) (!Werkstück) (!Auftragsnummer) (!Pausenplan)

Was ist bei einer unbekannten Sicherheitsfunktion richtig? (Nicht eigenmächtig abschalten) (!Sofort die Energieversorgung trennen) (!Die Schutzfunktion umgehen) (!Die Anlage ohne Freigabe öffnen)

Was verbessert die Vergleichbarkeit zweier Energiezustände? (Dieselbe klar definierte Systemgrenze) (!Unterschiedliche Messzeiten ohne Dokumentation) (!Wechselnde Verbraucher im Messrahmen) (!Schätzwerte ohne Kennzeichnung)

Welche Aussage zu Standby ist richtig? (Standby kann weiterhin Energie benötigen) (!Standby bedeutet immer null Watt) (!Standby ist immer Bearbeitung) (!Standby ersetzt jede Sicherheitsfreigabe)

Was gehört bei einer Druckluftanalyse zu einer weiten Betrachtung? (Erzeugung Verteilung und Nutzung) (!Nur die Farbe des Kompressors) (!Nur die Auftragsnummer) (!Nur die Hallentür)

Welche Maßnahme ist fachlich am stärksten begründet? (Unnötige Verbraucher nach Prüfung und Freigabe reduzieren) (!Alle Verbraucher ohne Prüfung ausschalten) (!Nur den größten Messwert betrachten) (!Sicherheitsregeln für Einsparungen ignorieren)

Feedback zum Quiz

Frage	Begründung
Leerlauf	Entscheidend ist der fehlende aktuelle Arbeitsnutzen trotz Energieeinsatz.
Systemgrenze	Ohne festgelegten Bilanzrahmen ist unklar, was überhaupt verglichen wird.
Energieeinheit	kWh beschreibt eine Energiemenge; kW beschreibt Leistung.
Formel	Bei konstanter Leistung ergibt sich Energie aus Leistung mal Zeit.
Peripherie	Absaugung kann technisch zum Prozess gehören, aber außerhalb der reinen Maschinengrenze liegen.
Sicherheit	Energieeffizienz darf Schutz- und Betriebsanforderungen nicht übergehen.
Vergleich	Nur gleiche Bilanzbedingungen ermöglichen einen sauberen Zustandsvergleich.
Standby	Bereitschaft bedeutet nicht automatisch vollständige Abschaltung.
Druckluft	Verluste und Energiebedarf können an mehreren Stellen des Systems entstehen.
Maßnahme	Eine wirksame Maßnahme verbindet Einsparung mit Freigabe und Prozessanforderung.

Memory

Leerlauf	Energieeinsatz ohne aktuelle eigentliche Arbeitsfunktion
Standby	Bereitschaft mit reduzierter Leistung
Systemgrenze	Festgelegter Bilanzierungsrahmen
Leistung	Momentaner Energieumsatz
Energie	Leistung über eine Zeitspanne
Kompressor	Erzeuger von Druckluft

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Bearbeitung	Nutzarbeit am Werkstück
Rüsten	Vorbereitung des Arbeitsauftrags
Leerlauf	Warten ohne aktuellen Produktionsnutzen
Standby	Reduzierte Bereitschaft
Abschaltung	Energiearmer Zustand nach betrieblicher Freigabe

Kreuzworträtsel

Leerlauf	Wie heißt der Zustand mit Energieeinsatz ohne aktuelle eigentliche Arbeitsfunktion?
Standby	Wie heißt eine Bereitschaft mit reduzierter Leistungsaufnahme?
Systemgrenze	Wie heißt der festgelegte Rahmen einer Energiebetrachtung?
Leistung	Welche Größe wird im Lernfall in Kilowatt angegeben?
Energie	Welche Größe ergibt sich aus Leistung mal Zeit?
Kompressor	Welche Maschine erzeugt Druckluft?

LearningApps

Lückentext

Ein klar benannter Betriebszustand hilft, den

einer Anlage einzuordnen.

Im

wird Energie eingesetzt, obwohl die eigentliche Arbeitsfunktion gerade nicht erfüllt wird.

Der

hält eine Anlage mit reduzierter Leistung bereit.

Eine

legt fest, welche Verbraucher in die Betrachtung eingehen.

Elektrische

wird im Lernfall in Kilowatt angegeben.

Die Energiemenge ergibt sich aus Leistung mal

.

Bei Druckluft können auch Erzeugung und

zur Bewertung gehören.

Eine Energiesparmaßnahme darf die

nicht beeinträchtigen.

}

Offene Aufgaben

Leicht

Betriebszustand: Beobachte einen freigegebenen Arbeitsablauf und notiere ohne Messdaten, wann Bearbeitung, Rüsten, Warten und Pause auftreten.
Energieverbrauch: Erstelle auf Papier eine einfache Prozessskizze und markiere mögliche Energieverbraucher.
Leerlauf: Formuliere drei Hinweise, an denen Du Leerlauf erkennen könntest.
Systemgrenze: Zeichne für ein fiktives Beispiel eine enge und eine weite Systemgrenze.

Standard

Energieeffizienz: Berechne mit den fiktiven Kursdaten den Energiebedarf einer Pause und erkläre jeden Rechenschritt.
Druckluft: Entwickle eine betriebsinterne Meldung für eine vermutete Leckage, ohne selbst in die Anlage einzugreifen.
Arbeitsprozess: Vergleiche zwei Ablaufvarianten und entscheide, welche weniger unnötige Leerlaufzeit enthält.
Messung: Plane eine sichere Messbeobachtung mit freigegebenen Messpunkten und benenne vorher Systemgrenze, Zustand und Messdauer.

Schwer

Prozessoptimierung: Entwirf eine Maßnahme, die Leerlauf reduziert, und prüfe Auswirkungen auf Sicherheit, Qualität, Taktzeit und Wiederanlauf.
Energiedaten: Erstelle aus fiktiven Werten ein kleines Lastprofil für Bearbeitung, Rüsten, Pause und Standby.
Energiemanagement: Entwickle eine einfache Regel, wann ein Nebenaggregat bedarfsgerecht betrieben werden könnte, und nenne notwendige Freigaben.
Nachhaltigkeit: Übertrage das Vorgehen auf einen anderen Ausbildungsbereich und begründe, welche neue Systemgrenze dort sinnvoll wäre.

Lernkontrolle

Systemgrenze: Zwei Teams messen denselben Arbeitsprozess, erhalten aber unterschiedliche Werte. Erkläre, wie unterschiedliche Systemgrenzen die Abweichung verursachen können.
Leerlauf: Beurteile eine Situation, in der eine Maschine während einer Pause weiterläuft, und nenne mindestens drei Informationen, die Du vor einer Abschaltentscheidung brauchst.
Druckluft: Erkläre, warum die Bewertung nur des Kompressormotors ein falsches Bild über den Energiebedarf des gesamten Druckluftsystems liefern kann.
Prozessoptimierung: Entwickle für den fiktiven Ausbildungsfall eine Reihenfolge aus Beobachten, Messen, Bewerten, Entscheiden und Kontrollieren und begründe die Reihenfolge.
Energieeffizienz: Eine Maßnahme spart Energie, verlängert aber die Anlaufzeit und gefährdet dadurch die Prozessqualität. Beurteile, ob sie nachhaltig ist, und begründe Deine Entscheidung.
Transfer: Übertrage die Begriffe Betriebszustand, Leerlauf und Systemgrenze auf einen Büro-, Lager-, Küchen- oder Fahrzeugprozess.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

Betriebszustände fachlich unterscheiden kannst.
Leerlauf nicht mit vollständiger Abschaltung verwechselst.
Systemgrenzen passend zur Fragestellung festlegst.
Energie aus Leistung und Zeit berechnen kannst.
Einsparideen unter Beachtung von Sicherheit, Qualität und Betriebsanforderungen bewertest.
Datenschutz bei betrieblichen Informationen beachtest.
Deine Entscheidung nachvollziehbar mit Beobachtung, Daten und Systemgrenze begründest.

Quellen- und Mediencheck

Fachlich geprüfte Quellen

Quelle	Verwendung im Kurs
Umweltbundesamt: Leerlaufverluste	Begriffliche Einordnung von Leerlauf und Standby
Umweltbundesamt: Energiemanagementsysteme	Erfassung und Analyse von Energieströmen
Umweltbundesamt: BVT-Merkblatt Energy Efficiency	Ganzheitliche Betrachtung von Druckluft und Leerlaufzeiten
klimaaktiv: Messen und Verifizieren	Definition und Funktion einer Systemgrenze
TSG: Energieoptimierung in der Werkstatt	Herkunft der eingebetteten Videos zu Druckluft und Antrieben

Medienrechte

Medium	Rechtehinweis
CNC machine.jpg	Wikimedia Commons, Public Domain, Urheberin Elma Verhouden
Solid-state-electricity-meter.jpg	Wikimedia Commons, Public Domain
IEC5009 Standby Symbol.svg	Wikimedia Commons, Public Domain
Air compressor.webp	Wikimedia Commons, CC0 1.0
Clamp meter.svg	Wikimedia Commons, CC0 1.0
Uproszczony schemat blokowy systemu sprężonego powietrza.jpg	Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
YouTube-Videos der TSG	Externe Einbettung; Rechte verbleiben beim jeweiligen Anbieter, keine Übernahme als OER-Datei
Kurzvideo zur Leckage von Atlas Copco	Externe Einbettung eines öffentlich bereitgestellten Hersteller-Videos; kommerzieller Absender ist bei der Bewertung zu berücksichtigen

Hinweis: Die eingebetteten YouTube-Videos werden extern geladen. Beim Abspielen gelten die Datenschutz- und Nutzungsbedingungen der Videoplattform. Für den Kurs ist kein eigener Upload der Videos vorgesehen.

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[1] Umweltbundesamt: Energiemanagementsysteme

[2] Umweltbundesamt: Leerlaufverluste

[3] Umweltbundesamt: Aktualisierung des BVT-Merkblatts Energy Efficiency, Abschnitt Druckluft

[4] tiv: Energieeinsparungen im Betrieb messen – Definition der Systemgrenze

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