Elektroantrieb und Batterietechnologie

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1 Martin Schmied, Bereichsleiter Verkehr und Umwelt Elektroantrieb und Batterietechnologie VöV- KTBB Schulung Schmieren, kühlen, mit Batterien fahren» Langenthal, 26. November 2014

2 Agenda 1. Ist der Elektroantrieb der Busantrieb der Zukunft? 2.Elektrobus ist nicht gleich Elektrobus: Worin liegen die Unterschiede? 3.Welche Batterietechnologien stehen heute und in Zukunft für Busse zur Verfügung? 4.Welches Gesamtfazit kann für den Einsatz von Elektrobussen gezogen werden? INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 2

3 Aktuell werden viele Optionen für alternative Antriebe und Treibstoffe für Busse diskutiert INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 3

4 Diskussion um alternative Antriebe und Treibstoffe für Busse hängen aber vom Zeitpunkt ab kurzfristige Entscheidungen zu Antrieben und Treibstoffen können anders aussehen als Entscheidungen, die für den Zeitraum nach 2020 getroffen werden heutige Entscheidungen müssen aber auch in mittelfristige Strategie passen (sinnvolle Brückentechnologien) INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 4

5 Heute schneidet der Dieselbus in einer Gesamtbewertung meist noch am günstigsten ab heute haben alternative Busantriebe kaum Vorteile gegenüber Dieselbusse der Einsatz von Dieselbussen bedarf keine Investitionen in neue Infrastruktuenkein Hindernis für neue Technologien Annahme: Mehrkosten des Gasbusses gegenüber Dieselbus werden vom lokalen Gaslieferanten getragen. INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 5

6 Welche alternative Antriebs- und Treibstoffoptionen stehen für Busse zur Verfügung? Antriebsart Konventioneller Treibstoff Biotreibstoff Stromgenerierte Treibstoffe* (Regenerativer) Strom Dieselmotor (inkl. Hybridisierung) Gasmotor (inkl. Hybridisierung) Elektromotor Brennstoffzelle+ Elektromotor Diesel Erdgas Wasserstoff aus Erdgas Biodiesel, nur Biomasse-to- Biogas und Biotreibstoffe Liquid (BTL) aus Reststoffen (Abfall, Biogas, Altöle) Synthetic natural sind ökologisch gas (SNG) empfehlenswert, aber haben beschränkte Verfügbarkeit und hohe Wasserstoff aus Kosten Biomasse Herstellung von Power-to-Liquid stromgenerierten Treibstoffen (PtL) verursacht hohe Power-to-Gas Stromverlustediese (PtG) Treibstoffe sollte nur bei Verkehrsmitteln eingesetzt werden, bei denen Power-to-Gas- Strom nicht direkt Wasserstoff genutzt werden (PtG-H2) kann Bus der Zukunft Batterie-Bus, Plug-in-Hybrid, Trolley-Bus * Aus regenerativem Strom Optionen der Zukunft INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 6

7 Elektrobusse haben die geringsten spezifischen Energieverbräuche aller Antriebskonzepte Endenergiebedarf (für SORT 2) eines Standardbusses heute: INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 7

8 und haben gleichzeitig die niedrigsten Treibhausgasemissionen aller Optionen Treibhausgasemissionen (für SORT 2) eines Standardbusses heute: INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 8

9 Zwischenfazit: Busantrieb der Zukunft Elektrobussesind sowohl in Bezug auf Energieeffizienz und Treibhausgasemissionen allen anderen alternativen Antrieben überlegen wie noch gezeigt wird, lassen die derzeit beschränkten Reichweiten und die hohen Kosten von Elektrobussen einen Einsatz aber erst mittelfristig als sinnvoll erscheinen nachhaltig produzierte Biotreibstoffe sind nur sehr begrenzt und nur zu hohen Kosten verfügbarund sind daher keine Option für den Bus der Zukunft Stromgenerierte Treibstoffe (Power-to-Gas, Power-to-Liquid) haben hohe Wirkungsgradeverlusteund sind nur für Verkehrsmittel empfehlenswert, bei denen der Strom nicht direkt genutzt werden kann daher ebenfalls keine Option für den Bus der Zukunft INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 9

10 Agenda 1. Ist der Elektroantrieb der Busantrieb der Zukunft? 2.Elektrobus ist nicht gleich Elektrobus: Worin liegen die Unterschiede? 3.Welche Batterietechnologien stehen heute und in Zukunft für Busse zur Verfügung? 4.Welches Gesamtfazit kann für den Einsatz von Elektrobussen gezogen werden? INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 10

11 Trolleybusse sind Elektrobusse allerdings ohne Batterie zur Speicherung des Stroms INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 11

12 Elektrobus: Endstation für den Trolleybus und den Dieselbus? INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 12

13 Elektromobilität: Was versteht man überhaupt darunter? Brennstoffzellenbus Elektrobus Hybridbus Zero-Emission- Betrieb Öl-/Dieselheizung oder Range-Extender mit Verbrennungsmotor Batteriebus Trolley_ Bus Diesel- Hilfsantrieb INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 13

14 Formen der Hybridisierung: Vom reinem Verbrennungs- zum reinen Elektromotor Konventionelle Busse Elektrobusse INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 14

15 Elektromobilitätsstrategie von Volvo für Busse: Hybridbusse als zentraler Bestandteil INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 15

16 Elektromobilität in unterschiedlichen Ausprägungen: INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 16

17 Funktionsweise und Formen eines «klassischen» Vollhybridbusses Hybridbus: - Hauptantrieb ist der Verbrennungsmotor - Bremsenergie wird in Strom umgewandelt und zwischen gespeichert - der gespeicherte Strom wird zum Anfahren mit einem Elektromotor genutzt Quelle: VDV 2010 INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 17

18 Wichtige Kenndaten für ausgewählte Hybridbus-Modelle Kenndaten von Hybridbussen: es kommen bei Hybridbussen sowohl Lithium-Ionen-Batterienwie auch Supercaps zur Speicherung der Bremsenergie zum Einsatz bei Elektrobussenist die Energieinhalt der Supercapsnicht ausreichend es kommen ausschliesslich Batterien zum Einsatz Quelle: Pütz INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 18

19 Beispiele für rein batterieelektrische Busse in Europa: Mini-, Midi- und Standardbusse INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 19

20 China hat sich in den letzten Jahren zu einem Versuchsfeld für Elektrobusse entwickelt Hybridbusse und Elektrobusse in China im Jahr 2013: Shenzhen Changsha/Zhuzhou Peking Hanghou Quelle: U.S. Department of Energy: INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 20

21 Beispiel BYD ebus-12: Kenndaten des Fahrzeugs und Anordnung der Batterien 1 Batteriesatz auf dem Dach 2 Batteriesätze a 1 t rechts und links hinter Fahrer (stehend) Kenndaten Kapazität Batterie: 324 kwh Gewicht Batterie: 3 Tonnen Reichweite: km Plätze: 60 (statt 80-85) Kosten Batterie: ca CHF INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 21

22 Auslegung der Batterie eines 12m-Busses für den rein elektrischen Fahrbetrieb Beispiel für den Einsatz eines 12 m-busses mit Einmalladung: Tagesdistanz: 250 km Spezifischer Energieverbrauch: kwh/km Gesamtenergieverbrauch: kwh/tag Ladezustandshub 10% -90% = 80% Batteriekapazität: kwh Batteriegewicht (130 Wh/kg): t INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 22

23 Diagramm zur Abschätzung der Fahrweite eines batterieelektrischen Busses Reichweite eines Elektrobusses in Abhängigkeit von Batterie und Energieverbrauch: 3000 BYD ebus-12 für hohe Tagesdistanzen Zwischenladungen notwendig Quelle: Prof. Müller-Hellmann (Forum für Verkehr + Logistik) INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 23

24 Verschiedene Betriebskonzepte von Elektrobussen mit Schnell-/Zwischenladung beide Konzepte habe vergleichbare Gesamtladezeit Konduktives Laden (Bsp. TOSA) Induktives Laden (Bsp. PRIMOVE) Laden über Stromabnehmer (Bsp. Wien) INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 24

25 Ladekonzepte für Batteriebusse: Schnelllader reduzieren Batteriekapazität Anmerkung:2C bedeutet, dass die Batterie mit einer Leistung, die 2x ihren Nominal-Wert aufweist, geladen oder entladen werden kann INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 25

26 Projekt TOSA (Trolleybus Optimisation Systeme Alimentation) (1) Quellen: ABB 2012; TOSA INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 26

27 Projekt TOSA (Trolleybus Optimisation Systeme Alimentation) (2) Netzseitige und busseitige Auslegung der Ladestellen beim Projekt TOSA: Quellen: ABB 2012; TOSA INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 27

28 Induktives Laden: Bombardier-System PRIMOVE in Braunschweig - Ladestationen Kenndaten der Ladestation: Braunschweig: seit März 2014 erster Standardbus von Solaris; 12 km lange Ringlinie Ladestellen (3 Ladestellen auf der Strecke + 1 Ladestelle im Busdepot): 200 kw Ladeleistung; 400 V Wechselstrom (AC) oder 750 V Gleichstrom (DC) Ladepad: 11m 2, 4 t, Fertigteilbox (inkl. Kühlung): 4.4 m 3, 6.5 t Wirkungsgrad: >90% (laute Hersteller) Kosten pro Pad: rund Berlin ( ): 3 Ladestation + Anbindung Netz: Mannheim: Ausbau Haltestellen Nov April 2014, 7 Pads, keine Kostenangaben Quellen: Promove INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 28

29 Laden über Stromabnehmer (Pantograph): Beispiel Wiener Linien Konzept der Ladestationen der Wiener Linien: Quellen: Wiesinger (Wiener Linien) 2013 INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 29

30 Diagramm zur Ermittlung der Zusammenhänge von Ladezeit und Verlusten beim Ladevorgang Schlussfolgerungen: mit abnehmender Ladezeit steigt die Verlustleistung und damit die abzuführende Verlustenergie an (30 min: 12.5 kwh = 6.3%, 20 min: 17 kwh = 8.5%) für Schnellladungen werden leistungsfähige Ladegeräte benötigt leistungsfähige Gleichrichterwerke dafür geeignet Quelle: Prof. Müller-Hellmann (Forum für Verkehr + Logistik) INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 30

31 Weitere Möglichkeiten zur Minderung der Batteriekapazitäten Bustyp Beispiele Beschreibung Batterieelektrischer Midibus Plug-in-Electric- Hybrid Bus Trolleybus mit Batterie zur Oberleitungsfreien Fahrt Z.B. Solaris, SOR Libchavy, PVI Gépébus Z.B. Volvo 7900 Plug-in Hybrid Z.B. Zürich, Eberswalde können als Einmallader-Konzepte mit gewissen Einschränkungen bereits heute realisiert werden Batterie wird am Netz geladen durchzusätzlichen Verbrennungsmotor können höhere Reichweiten trotz beschränkter Batteriekapazität erreicht werden durch zusätzliche Batterie Oberleitungsfreie Fahrt von km möglich Anfangsinvestitionen für Infrastruktur können im Falle einer Neukonzeption der Linien um bis zu 40% gesenkt werden INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 31

32 Einsatz von Trolleybussen mit Batterie für oberleitungsfreies Fahren: Beispiel Eberswalde Solaris Trollino 18 - Kenndaten: Quelle: Cegelec INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 32

33 Einsatz von Trolleybussen mit Batterie für oberleitungsfreies Fahren: Beispiele VBZ + VBL Kenndaten der Gelenk-Trolleybusse und Doppelgelenk-Trolleybusse der Verkehrsbetriebe Zürich (VBZ): Verkehrsbetriebe Luzern (VBL): Im Juni 2014 erster von neun Doppelgelenk-Trolleybussen mit Traktionsbatterie statt Hilfs-Dieselgenerator ausgeliefert Nutzbarer Energieinhalt der Batterie: 27 kwh Quellen: Vossloh Kiepe 2012, VBZ INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 33

34 Trolleybusse mit Batterie für oberleitungsfreies Fahren senken Infrastrukturkosten Quelle: VCDB (VerkehrsConsult Dresde-Berlin) INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 34

35 Möglichkeiten der Elektromobilität bei Standard-Linienbussen und Batteriekapazitäten Oberleitungsfrei fahrender Bus: <70 kwh kwh 30-??? kwh - Laden auf der Strecke: 5-10 kwh - Laden an der Endhaltestelle: kwh INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 35

36 Energieverbrauch eines Standard-Dieselbusses für Fahrbetrieb und Nebenaggregate Sankey-Diagramm der Energieverluste beim Standard-Dieselbus: Abwärme kann zum Heizen genutzt werden bei Elektrobussen nicht möglich für hohe Tagesdistanzen Zwischenladungen notwendig Nebenaggregate tragen ebenfalls erheblich zum Energieverbrauch eines Busses bei Elektrobusse müssen diese Energie ebenfalls über Batterie bereitstellen Quelle: Öko-Institut INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 36

37 Heizleistungsbedarf kann im Winter deutlich zum Energieverbrauch eines Busses beitragen Heizleistungsbedarfe in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur für Linienbus: insbesondere für Midibusse werden oftmals Öl-/Dieselheizung eingesetzt, um Batterie zu entlasten Quelle: Solaris INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 37

38 Solaris Urbino 8,9 LE electric: Energieverbrauch bei Testfahrten Quelle: Basile INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 38

39 Zwischenfazit: Elektrobusse bereits heute sind rein batterieelektrische Busse der Mini-, Midi- und Standardgrösse verfügbar Standardbusse, die nur über Nacht geladen werden (Standardlader) haben aber noch erhebliche Einschränkungen bei Reichweite und Sitzplatzkapazität für Standardbusse bieten sich Schnellladungssysteme an, die die Reduktion der Batterie ermöglichen, damit können Einschränkungen bei Sitzplatzkapazität und Reichweite vermieden werden(oder: Plug-in-Hybride) sollen Standardlader getestetwerden, bieten sich Midibussean, da diese meist auf kürzeren Linien eingesetzt werden und damit die Reichweiten der Busse ausreichend sind der Ersatz des Dieselgenerators bei Trolleybussen durch eine Traktionsbatterieermöglicht oberleitungsfreies Fahren dies reduziert die Kosten für eine Oberleitungsinfrastruktur und bietet sich als Alternative zu den rein batterieelektrischen Bussen an INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 39

40 Agenda 1. Ist der Elektroantrieb der Busantrieb der Zukunft? 2.Elektrobus ist nicht gleich Elektrobus: Worin liegen die Unterschiede? 3.Welche Batterietechnologien stehen heute und in Zukunft für Busse zur Verfügung? 4.Welches Gesamtfazit kann für den Einsatz von Elektrobussen gezogen werden? INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 40

41 Gravimetrische und volumetrische Energiedichten verschiedener Kraftstoffe und Batterien Quelle: INFRAS/Quantis 2014 INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 41

42 Batterietechnologien im Überblick: Spezifische Leistung und spezifische Energie Lithium-Ionen-Batterien sind für Einsatz in Elektrobussen geeignet für Einmallader werden Batterien mit hoher spezifischer Energie, für Schnellladesysteme Batterien mit hoher spezifischer Leistung benötigt Quelle: Prof. Sauer (ISEA, RWTH Aachen) INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 42

43 Lithium-Ionen-Batterien: Verschiedene Kathodenmaterialien kommen zum Einsatz in Bussen mit Standardladung werden meist Batterien aus Lithium- Eisenphosphat(LiFePO4) eingesetzt (auch als Lithium-Ferrit bezeichnet) Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid(Li-NMMC) werden beim Primove- System verbaut in Bezug auf Sicherheit etwas bedenklicher Quelle: Pütz INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 43

44 Entwicklung der Leistungsdichte von Fahrzeugbatterien bis zum Jahr Wh/kg Beispiele zur Orientierung (inkl. Regelungen): - SOR EBN 10,5: ca. 85 Wh/kg - BYD ebus-12: ca. 110 Wh/kg - Ebusco YTP-1: ca. 135 Wh/kg Wh/kg Quelle: EBP/EMPA 2012 «Studie Elektromobilität in der Schweiz. INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 44

45 Prognosen zur Entwicklung der spezifischen Kosten der Batterien Bei Schnellladung: über CHF/kWh 600 CHF/kWh 200 CHF/kWh Quelle: EBP/EMPA 2012 «Studie Elektromobilität in der Schweiz. INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 45

46 Entwicklung der Leistungsdichte nach Art der Batterietechnologie Quelle: Schiemann (Continental) INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 46

47 Entladetiefe beeinflusst die Lebensdauer der Batterien und somit die Lebenszykluskosten Quelle: Prof. Sauer (ISEA, RWTH Aachen) INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 47

48 Orientierender Vergleich der Kosten von Batterie-(Standardlader) und Dieselstandardbus Vergleich: Standardbus 12 m, km/a, 12 Jahre 60 statt 80 Plätze! Annahmen: keine Kosten für Ladeinfrastruktur, Diesel: 1.12 CHF/Liter, Strom: 0.15 CHF/kWh, Energieverbrauch: 1.9 kwh/km bzw l/100 km; Zinssatz: 4%. INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 48

49 Zwischenfazit: Batterietechnologie heute in Elektrobussen eingesetzte Lithium-Ionen-Batterien haben noch eine geringe gravimetrische Energiedichte und hohe Kosten aus diesem Grund sind Busse mit Schnellladung eine Alternative, um Batteriegewicht und Kosten zu reduzieren aber: Batterien für Schnellladung sind oftmals erheblich teurer als für Standardlader, so dass Kostenvorteil geringist; zudem wird zusätzliche, kostenintensive Ladeinfrastruktur benötigt zukünftigwird mit einer deutlichen Erhöhung der gravimetrischen Energiedichte (um Faktor 5)und mit einer deutlichen Kostenreduktion (Faktor 3) gerechnet Lebensdauer der Batterien ist heute bei rund 5-7 Jahren, so dass mindestens zwei Batteriesätze pro Elektrobus benötigt werden in Zukunft wird davon ausgegangen, dass eine Batterie pro Busleben ausreicht INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 49

50 Agenda 1. Ist der Elektroantrieb der Busantrieb der Zukunft? 2.Elektrobus ist nicht gleich Elektrobus: Worin liegen die Unterschiede? 3.Welche Batterietechnologien stehen heute und in Zukunft für Busse zur Verfügung? 4.Welches Gesamtfazit kann für den Einsatz von Elektrobussen gezogen werden? INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 50

51 Gesamtresümee: Elektroantrieb und Batterietechnologie Wunsch Wirklichkeit Der Batteriebus hat die gleiche Reichweite wie ein Dieselbus mit hoher Reichweite ist bei europäischen Herstellern verfügbar hat gleiche Passagierkapazität wie der Dieselbus ist in der Wirtschaftlichkeit vergleichbar mit dem Dieselbus kann den Dieselbus ohne Einschränkungen ersetzen hat maximal Netto-Reichweite von 200 km mit hoher Reichweite ist bei wenigen (chinesischen) Herstellern verfügbar hat aufgrund des Batteriegewichtseine deutlich geringere Passagierkapazität hat seine Gesamtwirtschaftlichkeit (LCC) noch nicht nachgewiesen kann Dieselbus auf unbestimmte Zeit nur mit Einschränkungen ersetzen Quelle: Barbara Nick (SWB) INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 51

52 Schlussfolgerungen: Elektroantrieb und Batterietechnologie die Umweltherausforderung der Zukunft wird die Minderung der Treibhausgasemissionensein alternative Antriebe und Treibstoffe können dabei eine wichtige Rolle spielen wenn (regenerativer) Strom direkt im Bus genutzt werden kann, ist dies die energieeffizienteste und klimafreundlichste Variante, die von allen Alternativen ökonomisch am konkurrenzfähigsten ist aufgrund der Energiedichten heutiger Batterien sind für Standard-und v. a. für Gelenkbusse reine Elektrobusse (noch) nicht uneingeschränkt praxistauglichzur Minderung der Batteriekapazität sind zielführend: Schnellladung, Plug-in-Hybrid, Kombination von Oberleitung und Traktionsbatterie ABER: Schnellladungreduziert zwar die Batteriekosten, gleichzeitig steigen aber die Kosten für Ladeinfrastrukturen trotz der heutigen Probleme wird der Elektrobus der Bus der Zukunft sein INFRAS Elektroantrieb und Batterietechnologie 26. September 2014 Martin Schmied 52

53 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Martin Schmied Bereichsleiter Verkehr und Umwelt INFRAS Mühlemattstr. 45 CH-3007 Bern Schweiz Tel