Integrierter Gaserzeuger und Stromspeicher Beschreibung Ohne eine zuverlässige Speichertechnologie werden sich weder die politischen Ziele der Bundesregierung noch der "Green Deal" der EU praktisch umsetzen lassen können. In der gesamten belebten Natur sind die drei Elemente C, H und O Grundlage der Energiespeicherung. Deren vorliegenden Reaktionsprodukte Wasser (H ₂ O) und Kohlendioxid (CO ₂ ) reichen idealerweise aus, um mit Hilfe der "Power-to-Gas" Technologien synthetische Brennstoffe wie Wasserstoff ( H ₂ ), sowie Kohlenwasserstoffe (C _n H _m ) insbesondere Methan (CH ₄ ) und Ethen (C ₂ H ₄ ), allgemein Kohlenwasserstoff- verbindungen, aus fluktuierendem regenerativen Strom zu erzeugen und als regenera- tive Speichersubstanz, aber auch als nachhaltigen Industrierohstoff zu nutzen. Dazu ist es aber zwingend, die Energieeffizienz bei der technischen Umsetzung zu erhöhen. Wie in (M. Thema, F. Bauer, M. Sterner: Power-to-Gas: Electrolysis and methanation status review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 112 (2019) p 775–787 Table 2) gezeigt, liegt der Wirkungsgrad bei der H2 Elektrolyse im Mittel bei 77 % und bei 41% für die im Wesentlichen auf der Sabatier Reaktion beruhenden Methanisierung von H ₂ mit CO oder CO ₂ , wobei durchaus auch niedrigere Werte in der Literatur genannt werden. Da H ₂ eine wesentlicher Ausgangsstoff zur Umsetzung der Sabatierreaktion ist, sind alle oben angesprochenen Verfahren auch mit der effizienten Bereitstellung von H ₂ verknüpft. Aufgabe der Erfindung ist mit Hilfe eines integrierten Gesamtkonzepts die oben genannten Wirkungsgrade für "Power-to-Gas" Technologien deutlich zu verbessern, durch neue Schaltungen und ihre konstruktive Gestaltung die Investitionskosten zu minimieren und so zu einer nachhaltigen Systemintegration beizutragen, die trotz fluktuierender Einspeisung eine sichere und stabile Stromversorgung garantiert und zu einer nachhaltigen Ver- und Entsorgungswirtschaft durch CO ₂ Recycling beiträgt. Problemanalyse, Lösungsansätze und Aufgabendefinition Eine mit Hilfe der in (Wolfgang Georg Winkler: Sustainable product development based on second law of thermodynamics. September 2011. Applied Energy 88(9): 3248-3256 DOI: 10.1016/j.apenergy.2011.03.020) angegebenen Methodik reversibler Prozess- strukturen durchgeführte eigene Untersuchung zeigte, dass im Wesentlichen zwei Effekte mit ihrer Auswirkung auf die weitere Prozessintegration zu diesen relativ niedrigen Wirkungsgraden führen. Dies sind der Wärmebedarf zur Verdampfung des zugeführten flüssigen H ₂ O und die Abtrennung des bei der thermischen Methanisierung entstehenden O ₂ durch eine Oxidation mit dazu zusätzlich zu erzeugendem H ₂ und der nachfolgenden Kondensation des entstandenen H ₂ O. Dazu kommen noch verschiede- ne Mängel bei der Systemintegration, die mit der reversiblen Struktur als Auslegungs- grundlage leicht vermeidbar sind. Bei der elektrolytischen H ₂ Erzeugung wird H ₂ O in flüssigem Zustand zugeführt und die notwendige Verdampfungswärme wird elektrisch erzeugt. Dies vermindert den theoretisch möglichen Wirkungsgrad der H ₂ O Elektrolyse auf 83 % (Wolfgang Winkler, Ai Suzuki, Akira Miyamoto, Harumi Yokokawa, Mark C. Williams: Performance Envelope for Electrolyser Systems. ECS Trans. 201565(1): 253-262). Aus der Betrachtung der reversiblen Prozessführung der Stromspeicherung mit Hilfe von H ₂ gemäß (Wolfgang Georg Winkler: Sustainable product development based on second law of thermodynamics. September 2011. Applied Energy 88(9): 3248-3256 DOI: 10.1016/j.apenergy.2011.03.020) lassen sich die notwendigen Verbesserungsoptionen ableiten. Ausgangspunkt für die insgesamt hier betrachteten Elektrolyseverfahren sind dazu die Reaktionsgleichungen: (1) und (2) Wobei letzte Gleichung hier nur für die Integration der Elektrolyseverfahren zur CH ₄ Erzeugung Bedeutung hat. Beide Prozesse sind thermodynamisch ähnlich, allerdings ist Gl. (2) zur Darstellung des Kohlenmonoxid (CO) hier nur für Prozesse in der Gasphase relevant und so ist zunächst zur Analyse der optimalen Systemintegration des Verdampfungsprozesses nur die reversible Prozessführung auf der Basis von Gl. (1) relevant. Die Elektrolyseverfahren werden heute entweder bei hohen oder niedrigen Tempera- turen betrieben, weshalb die thermodynamischen Unterschiede dieser beiden Verfahrensoptionen erläutert werden müssen. Der Grund der zusätzlichen Stromzufuhr, zur Deckung des Wärmebedarfs zur Verdampfung bei der Elektrolyse ist, dass H ₂ O für die Reaktion gasförmig und nicht flüssig benötigt wird, wie es zugeführt wird. Eine Rückgewinnung der an die Umgebung abgegebenen Kondensationswärme der Verbrennungsabgase ist nicht praktikabel und die Frage wird formal in den Fach- publikationen allgemein durch die mit dem Brennwert definierte „Thermoneutral- spannung“ (vergl. beispielsweise „Elektrochemische Thermodynamik“, Karl-Winnacker- Institut DECHEMA, https://dechema.de/kwi_media/Downloads/ec/5++Elektrochemisch + Thermodynamik-p-976.pdf) gelöst, die so die Verdampfungswärme einfach in die Spannungsberechnung inkludiert. Nicht erörtert wird die Möglichkeit, eine Wärmepumpe zu nutzen, um damit geringwertige Wärme thermodynamisch aufzuwerten und dann zur Verdampfung zu verwenden und so den Strombedarf zu vermindern. Für die thermische Systemauslegung ist außerdem bedeutsam, mit welcher Temperatur der Elektrolyseur betrieben werden muss, um bei einer Verwendung als Stromspeicher eine möglichst hohe überschüssige regenerative Strommenge in das chemische Potential des H ₂ umzusetzen. Dies zu erläutern ist die Aufgabe von Fig.19, wo über der Temperatur T, beginnend mit der Umgebungstemperatur T ₀ , die temperaturabhängige Aufteilung der bei der Elektrolyse zuzuführenden reversiblen Arbeit Δ ^R G und reversiblen Wärme T∙Δ ^R S aufgetragen ist, um die für die Reaktion notwendige Reaktionsenthalpie Δ ^R H zu erhalten. Aus der Fig.19 folgt unmittelbar, dass umso weniger reversible Arbeit Δ ^R G in chemisches Potential gewandelt werden kann, je höher die Temperatur T ist. Steht die reversible Arbeit als fluktuierende elektrische Arbeit zur Verfügung, kann so mittels einer Hochtemperaturelektrolyse, betrieben mit der Temperatur T ₂ , weniger elektrische Arbeit bei gleicher Wasserstofferzeugung eingespeichert werden, als bei einer Niedertemperaturelektrolyse, betrieben mit der Temperatur T ₁ . Der Wärmebedarf für die Verdampfung ist, gleicher Druck vorausgesetzt, nur von der erzeugten H ₂ Menge abhängig. Deshalb benötigt eine Hochtemperaturelektrolyse mehr Verdampfungs- wärme, bezogen auf die zugeführte elektrische Arbeit, als eine Niedertemperatur- elektrolyse. Dies zeigt, dass Niedertemperaturelektrolyse die Aufgabenstellung, über- schüssigen Strom und nicht verwertbare Abwärme in nutzbares chemisches Potential zu wandeln, am besten erfüllt. Demgegenüber ist die Hochtemperaturelektrolyse dann das geeignetere Verfahren, wenn ausreichend Hochtemperaturwärme verfügbar ist und wenig elektrischer Strom verfügbar ist. Bei ausreichend externer Wärmeversorgung kann ohne Schwierigkeiten auch die erforderliche Verdampfungswärme bereitgestellt werden, ohne zusätzlichen Stromverbrauch zu generieren. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass der Einsatz von Hochtemperaturwärme zur Verdampfung genauso zu erheblichen Exergieverlusten führt und somit das thermodynamische Problem nicht löst. Die heute gebräuchlichen Methanisierungsverfahren nutzen H ₂ und CO ₂ als Reaktanden. Die Optimierung der Elektrolyse ist daher heute Grundvoraussetzung zur weiteren Optimierung dieser Verfahren. Fig. 1 zeigt dazu das Prozessfließbild eines reversiblen H ₂ Stromspeicherprozesses, worin die für die Bilanzierung notwendigen thermodynamischen Größen zur leichteren Orientierung eingetragen sind. Mit diesem Ansatz wird der gesamte Produktzyklus des H ₂ von der Entnahme des H ₂ O im flüssigen Zustand über dessen Verdampfung, die Gewinnung der gasförmigen Produkte H ₂ und O ₂ mittels Elektrolyse mit der zugeführten elektrischen Arbeit, der Speicherung der Produkte, der folgenden Umsetzung in der Brennstoffzelle mit der Abgabe der erzeugten elektrischen Arbeit und Kondensation des gasförmigen Reaktionsprodukts H ₂ O bis hin zur Ausschleusung des flüssigen H ₂ O betrachtet. Da Reversibilität aller Prozesse vorausgesetzt wird, können auftretende Verluste nur durch fehlerhafte Systemstrukturen verursacht werden, die so leicht identifizierbar sind. Es ist dann Aufgabe der technischen Umsetzung dieser theoretischen Strukturen mit technisch-wirtschaftlich sinnvollen Lösungen möglichst nahe zu kommen. Dabei bleibt deren Einfluss auf die Systemeffizienz aber stets unmittelbar durch Vergleich mit der Ideallösung erkennbar. Die Hauptkomponenten dieses isothermen Systems sind der Elektrolyseur (1) und die Brennstoffzelle (2), die über die beiden Gasspeicher (3a) und (4a) und die zugehörigen Leitungen (3) und (4) miteinander verbunden sind und mit Temperaturen T oberhalb der zugehörigen Sattdampftemperatur, praktisch oberhalb von 100 °C, betrieben werden. Das Leitungssystem (3) enthält H ₂ bei einem H ⁺ leitenden Elektrolyten und O ₂ bei einem O ^2- leitenden Elektrolyten und dementsprechend ist das Leitungssystem (4) mit O ₂ bei H ⁺ leitenden Elektrolyten und mit H ₂ bei O ^2- leitenden Elektrolyten befüllt. Für die thermodynamische Betrachtung ist dies aber irrelevant, solange H ₂ und O ₂ in den Systemen 3 und 4 voneinander getrennt bleiben. Die in den Gasspeichern (3a) und (4a) getrennt gelagerte Gase H ₂ und O ₂ werden bei Bedarf (Strommangel) der Brennstoff- zelle (2) zugeführt und dort wieder zu H ₂ O umgesetzt und die freie Reaktionsenthalpie -Δ ^R G wird als reversible Arbeit nach außen abgegeben (hier und in der Folge sind die sich ergebenden Vorzeichen zum besseren Verständnis vorangestellt und die Größen Δ ^R G, Δ ^R S und Δs _v sind dann konsequenter Weise als Absolutbeträge zu verstehen). H ₂ O wird im Kondensator (5) kondensiert und dem H ₂ O Behälter (6) zugeführt und die Kondensationswärme -T .Δs _v an den Wärmespeicher (7) abgegeben, wobei Δs _v für die Entropieänderung zufolge der Phasenänderung steht. Parallel dazu muss die zufolge der Reaktionsentropie Δ ^R S entstehende reversible Abwärme -T .Δ ^R S von der Brenn- stoffzelle (2) dem Wärmespeicher (8) zugeführt werden. Das bei Stromüberschuss aus dem H ₂ O Behälter (6) entnommene flüssige H ₂ O wird dem Verdampfer (9) zugeführt und dort mittels der Zufuhr der benötigten Verdampfungswärme +T .Δs _v aus dem Wärmespeicher (7) verdampft und dem Elektrolyseur (1) über die H ₂ O Leitung (10) zugeführt. Dem Elektrolyseur (1) wird die freie Reaktionsenthalpie +Δ ^R G als reversible Arbeit von außen und die wegen der Reaktionsentropie Δ ^R S benötigte Wärmezufuhr +T .Δ ^R S aus dem Wärmespeicher (8) zugeführt. Damit ist der Kreislauf geschlossen und die Funktionsweise seiner Komponenten beschrieben. Fasst man nun die dem System zu- und abgeführte Energie zusammen, so gilt für die zugeführte Energie E _zu : (3) und für die abzuführende Energie Eab: (4) Diese Prozessstruktur ist exakt verlustfrei und real auftretende Verluste in so aufgebauten Anlagen sind nur der Unvollkommenheit der praktischen Umsetzung mit realen verlustbehafteten Komponenten geschuldet. Betrachtet man nur die alleinige Erzeugung von Wasserstoff der andernorts verbracht wird, so entfallen die Möglichkeiten der Rekuperation über Wärmespeicher und selbst bei vollständig reversiblen Komponenten müssen die Wärmen T .Δ ^R S und T .Δs _v von außen zugeführt werden. Daraus folgt unmittelbar, dass der Hauptverlust der H ₂ Produktion darin liegt, dass H ₂ O bei den meisten in Verwendung befindlichen Elektrolyseuren im flüssigen Zustand zugeführt wird und keine Wärmespeicher existieren, die eine Rekuperation der andernorts bei der Oxidation des H ₂ zu anderen Zeiten abgegeben Wärme ermögli- chen. Der Beitrag der Reaktionsentropie zum Wärmebedarf ist dabei allerdings vergleichsweise gering. Ein wichtiger Ansatz der "Power-to-Gas" Technologie bezieht sich aber gerade auf die Nutzung der synthetischen Gase in räumlicher Entfernung von dem Ort deren Erzeugung, womit die direkte räumliche Verbindung zwischen Brennstoffzelle und Elektrolyse nicht mehr gegeben ist und so auch der für eine hohe Effizienz notwendige interne Wärmeaustausch nicht mehr möglich ist. Diesem Dilemma kann aber zunächst in der Theorie dadurch abgeholfen werden, wenn man die räumliche Trennung der Verbindung von reversibler Elektrolyse und reversibler Brennstoffzelle so überwindet, indem die Systemgrenze des Speicherprozesses gemäß Fig. 1 so verschoben wird, dass die Umgebung gleichzeitig Wärmesenke für die Brennstoffzelle und Wärmequelle für den Elektrolyseur wird. Dies gelingt gemäß (Wolfgang Georg Winkler: Sustainable product development based on second law of thermodynamics. September 2011. Applied Energy 88(9): 3248-3256 DOI: 10.1016/j.apenergy.2011.03.020) mit Hilfe eines reversiblen Wärmekraftprozesses, der das aus der Brennstoffzelle am Kondensator (5) austretende H ₂ O reversibel auf den Umgebungszustand, der jetzt im H ₂ O Behälter (6) herrscht, abkühlt und mit Hilfe einer reversiblen Wärmepumpe, die das für den Betrieb des Elektrolyseurs benötigte flüssige H ₂ O des H ₂ O Behälters (6) vorwärmt und im Verdampfer (9) verdampft. Da die von der reversiblen Wärmekraftmaschine erzeugt Arbeit, gleich der von der reversiblen Wärmepumpe benötigten Arbeit ist, bleibt die Reversibilität des Gesamtsystems erhalten. Diese zunächst rein theoretische Betrachtung gibt aber eine Hilfestellung, wie bei der isoliert stehenden synthetischen Gaserzeugung ohne Einbeziehung der Gasverbraucher selbst eine Verbesserung der Wirkungsgrade mit Hilfe der Verminderung der Verluste zur Bereitstellung der Verdampfungswärme erreicht werden kann. Praktisch umsetzbare Möglichkeiten, dieses Prinzip zu nutzen, sind etwa, der Einsatz von Solarwärme oder geothermischen Quellen zur Verdampfung des für die Elektrolyse benötigten H ₂ O oder die Abwärme aus beliebigen Prozessen, die gegebenenfalls mit Hilfe von Wärmepumpen wieder aufgeheizt werden, zu verwenden. Damit ist der erste Schritt zur Wirkungsgrad- verbesserung der Erzeugung von H ₂ und damit verbunden von CH ₄ sowie insgesamt für die "Power-to-Gas" Technologie vorgezeichnet. Dies soll im Folgenden nochmals ausführlicher dargelegt werden. Im Regelfall werden Elektrolyseur und Brennstoffzelle wie erwähnt getrennt betrieben, womit die direkte räumliche Verbindung zwischen Brennstoffzelle und Elektrolyse nicht mehr gegeben und so auch der für eine hohe Effizienz notwendige interne Wärmeaustausch nicht mehr möglich ist. Die Erweiterung auf diesen Fall ist daher erforderlich, um die Auslegungsprinzipien der für jede "Power-to-Gas" Technologie wesentliche Elektrolyse zu verstehen und technisch umzusetzen. Der in Fig. 1 beschriebene geschlossene reversible Kreisprozess eines Energie- speicherprozesses auf der Basis von H ₂ beschreibt nicht den genaueren Aufbau des H ₂ O Behälters (6), die Wärmerückgewinnung über den Kondensator (5), die Wärme- speicher (7) und (8) sowie den Verdampfer (9), sondern nur deren ideale Funktions- weise. Damit ist auch die Systemgrenze, innerhalb derer diese Funktionen erfüllt werden müssen, frei wählbar. Es muss nur H ₂ O, H ₂ und O ₂ reversibel an die jeweiligen Speicher abgegeben und wieder reversibel entnommen werden können, sowie die reversiblen Wärmen T∙Δ ^R S und T∙Δs _v reversibel zwischen Brennstoffzelle und Elektrolyseur ausgetauscht werden können. Unterstellt man die Möglichkeit eines reversiblen Transports des H ₂ von der Elektrolyse zur Brennstoffzelle etwa über ideale Leitungen, so kann die Umgebung als Speicher von H ₂ O, und O ₂ dienen. Dann verbleibt nur noch die Sicherstellung des notwendigen reversiblen Wärmeaustauschs zwischen Brennstoffzelle und Elektrolyseur zu lösen, um ein reversible Prozessführung mit der Umgebung als Speicher beschreiben zu können. Gemäß (Wolfgang Georg Winkler: Sustainable product development based on second law of thermodynamics. September 2011. Applied Energy 88(9): 3248-3256 DOI: 10.1016/j.apenergy.2011.03. 020) lässt sich eine solche Prozessführung so durch eine Kombination von reversibler Wärmekraftmaschine und reversibler Wärmepumpe darstellen, wie in Fig.20 gezeigt. Zwischen den Temperaturniveaus T und T ₀ wird so mit Hilfe von Carnotprozessen, einmal als Wärmekraftmaschine (2a) und einmal als Wärmepumpe (1a) arbeitend, die Wärme (T ₀ ∙ Δ ^R S +T ₀ ∙ Δs _v ) von der Brennstoffzelle (2) kommend (negatives Vorzeichen) der Umgebung (100) zugeführt und von dort dem Elektrolyseur (1) zugeführt (positives Vorzeichen). Dazu muss einmal die Arbeit WC abgeführt werden (negatives Vorzeichen) und einmal zugeführt werden (positives Vorzeichen). Das gleiche Prinzip wird auch für die aus- bzw. eintretenden Stoffströme von Brennstoffzelle und Elektrolyseur wieder gemäß (Wolfgang Georg Winkler: Sustainable product development based on second law of thermodynamics. September 2011. Applied Energy 88(9): 3248-3256 DOI: 10.1016/j.apenergy.2011.03.020) angewendet, wobei die zu- bzw. abgeführte reversible Arbeit jeweils der damit verbundenen Exergieänderung des jeweiligen Stoffstroms entspricht. Dieses Gesamt- system, das von der Entfernung von Brennstoffzelle und Elektrolyseur unabhängig ist, wird mit Hilfe der Systemgrenze (101), innerhalb der nur reversible Prozesse ablaufen, gebildet. Die Umgebung bildet dabei einen reversiblen Speicher für alle Wärmen und Stoffe, die mit ihr ausgetauscht werden, wobei gleichzeitig ein reversibles (elektrisches) Energienetz stillschweigend als reversibler Speicher der zu- und abgeführten reversiblen Arbeit angenommen wird. Mit der Wahl der Umgebung als Speicher entfällt darüber hinaus die Notwendigkeit, die Wiederbefüllung des Speichers in die Über- legungen einzubeziehen, weil sich durch die reversible Wärme- und Stoffentnahme durch das Elektrolysesystem der thermodynamische Zustand der Umgebung nicht ändert. Ebenso beeinflusst die Entnahme der benötigten reversiblen Carnotarbeit für die Wärmepumpe nicht den Zustand eines globalen reversiblen Stromnetzes mit Umge- bungscharakter. Damit ist offensichtlich das Elektrolysesystem für Stromspeicherung das thermodynamisch vorteilhafteste, welches die benötigte Wärmezufuhr mit möglichst geringem Aufwand aus der Umgebung bezieht und dabei die größtmögliche Menge an elektrischer Arbeit in thermodynamisches Potential des gebildeten H ₂ wandelt. Demgegenüber kann die Hochtemperaturelektrolyse dann die vorteilhaftere Lösung sein, wenn Hochtemperaturwärme ausreichend verfügbar ist und elektrischer Strom knapp oder zu teuer ist. Wobei nicht vernachlässigt werden darf, dass Hochtemperaturwärme bekanntlich zur Stromerzeugung genutzt werden kann und so ihr thermodynamischer Wert deutlich höher ist, als der von Niedertemperaturabwärme. Damit ist auch das Konstruktionsprinzip vorgezeichnet, wie bei jeder isoliert stehenden synthetischen Gaserzeugung mit H ₂ als Reaktand grundsätzlich die Verluste zur Bereitstellung der benötigten Verdampfungswärme minimiert werden können. Mit Hilfe einer Wärmepumpe kann bei Niedertemperaturelektrolyseuren die benötigte Verdampfungswärme stets energieeffizienter bereitgestellt werden, als dies mit der heute üblichen Dissipation elektrischer Arbeit geschieht. Der Energiebedarf der Wärmepumpe lässt sich zusätzlich weiter vermindern, wenn statt Umgebungswärme beliebige Abwärme als deren Wärmequelle verwendet werden kann. Die Wärmepumpe kann entfallen, wenn die Temperatur der Abwärme über der erforderlichen Verdampfungstemperatur, in der Regel 100 °C, liegt. Als Abwärme lässt sich im Sinn des Vergleichsprozess jede beliebige Wärme interpretieren, die ohne Verwendung zur Verdampfung in der Umgebung dissipiert würde und damit zu deren Entropieerhöhung beiträgt. Der zweite wesentliche Einfluss folgt aus der Stofftrennung bei thermischen Verfahren zur CH ₄ Erzeugung nach Sabatier. Dazu werden auch hier alle möglichen Prozesspfade entsprechend (Wolfgang Georg Winkler: Sustainable product development based on second law of thermodynamics. September 2011. Applied Energy 88(9): 3248-3256 DOI: 10.1016/j.apenergy.2011.03.020) analysiert. Eine prinzipiell reversible CH ₄ Erzeugung wäre die Umkehrung der CH ₄ Oxidation gemäß: (5) Im Unterschied zur H ₂ Darstellung durch Elektrolyse bestehen gegenwärtig neben dem thermischen Sabatier Prozess zur CH ₄ Erzeugung keine einsatzfähigen Verfahren, O ₂ über einen Elektrolyten elektrochemisch aus dem Reaktor zu entfernen. Da aber als wesentliche Komponenten für solche Verfahren O ^2- leitende Elektrolytwerkstoffe verfüg- bar sind und stetig weiterentwickelt werden, sowie gegenwärtig auch die Katalysator- entwicklung interessante Fortschritte macht, werden die Ergebnisse einer entsprechen- den thermodynamischen Betrachtung hier einbezogen. Eine teilweise O ₂ Ausschleu- sung zur Produkttrennung ist aber zur Zeit nur über eine vorgelagerte elektrochemische H ₂ oder CO Erzeugung möglich. Im ersten Fall muss die Reaktionsgleichung Gl. (5) dann ersetzt werden durch: (6) damit sich die Reaktionsprodukte durch Kondensation des H ₂ O trennen lassen. Nachteilig hierbei ist, dass die Molzahl des dem System (Elektrolyseur und thermischer Methanisierungsreaktor) zugeführten H ₂ O und damit die benötigte Verdampfungswärme gegenüber Gl. (5) verdoppelt werden muss. Die Verfahren zur Ausschleusung von O ₂ aus dem Methanisierungsreaktor und damit in den vorangehenden Verfahrensstufen haben daher entscheidenden Einfluss auf die Verluste. Zur Analyse der möglichen Prozessschritte dient ein Schema, wie es in Fig.2 angegeben ist. Dort sind in 3 Säulen die Ausgangsstoffe und die thermodynamisch möglichen Varianten von Reaktionen dargestellt, wobei mit Pfeilen die entsprechenden Verknüpfungen angezeigt sind. H ₂ O und CO ₂ treten als Ausgangsstoffe in das System ein. Der erste Schritt vor der thermischen Methanisierung ist eine vorgeschaltete Elektrolyse. Zur Methanisierung ist die Reduktion zu mindestens 2 mol H ₂ pro zu erzeugendem mol CH ₄ zwingend notwendig. Zur Umsetzung von Gl. (6) reicht die H ₂ Erzeugung als einziges elektrochemisches Verfahren aus, weil CO ₂ ein Reaktand in Gl. (6) ist. Die Reduktion von CO ₂ zu CO ist aber ebenfalls elektrochemisch darstellbar und hat den Vorteil, dass die Reaktion bei Umgebungszustand ohne Phasenwechsel abläuft. Damit ist neben der Methanisierungsreaktion Gl. (6), die pro mol CH ₄ die Bereitstellung von 4 mol H ₂ erfordert, auch die thermische Methanisierungsreaktion Gl. (7) eine Option, die nur 3 mol H ₂ pro mol CH ₄ benötigt. Damit wird der Verdampfungsverlust gegenüber der Reaktion Gl. (6) um 25% vermindert. Allerdings sind dann gleichzeitig zwei unterschied- liche Elektrolyseverfahren erforderlich: (7) In der dritten Spalte der Fig.2 werden Kombinationen nur für die Verfahren angegeben, die mit einem O ^2- leitenden Elektrolyten möglich sind, über den O ₂ elektrochemisch ausgeschleust werden kann. Die Kombination von 2 vorgeschalteten Elektrolyseverfah- ren zur Produktion von CO und H ₂ erfüllt diese Voraussetzung, verbunden mit der Ent- fernung von 1/2 mol O ₂ im Methanisierungsreaktor entsprechend der Reaktion Gl. (8): (8) Verzichtet man in einer Adaptierung von Gl. (8) auf die Elektrolyse zur Erzeugung von CO, so folgt die Reaktionsgleichung (9), bei der direkt CO ₂ in den Methanisierungs- reaktor eingespeist wird, in dem dann 1 mol O ₂ entfernt werden muss: (9) Dementsprechend ist auch eine Adaptierung von Gl. (7) dergestalt möglich, dass auf die H ₂ Produktion verzichtet wird und 2 H ₂ O eingespeist wird. Die Elektrolyse produziert dann nur CO und im Methanisierungsreaktor müssen dann 3/2 mol O ₂ entsprechend Gl. (10) entfernt werden: (10) Für die energetische Bewertung ist noch wichtig, welche reversible Arbeit wird für die Reaktionen gemäß Gln. (6) bis (10) benötigt, bzw. welche Arbeit könnten sie gegebenenfalls abgeben. Dies lässt sich mit Hilfe von Fig.3 bestimmen. Es ist dort über der Reaktionstemperatur die reversible Methanisierungsarbeit der hier behandelten Methanisierungsreaktionen Gln. (5) bis (10) angegeben mit der ausgeschleusten O ₂ Stoffmenge als Parameter und mit Bezug auf die zugehörige Reaktionsgleichung. Es wird dabei deutlich, dass die O ₂ Entfernung im Methanisierungsreaktor sehr gut gemeinsam mit der Reaktortemperatur zur Beschreibung des energetischen Reaktor- zustands geeignet ist. Mit Ausnahme eines engen Betriebsbereichs, in der thermische Reaktionen möglich sind, muss im Bereich der Reaktionen, die mit den Gln. (5) bis (10) beschrieben sind, stets Arbeit zugeführt werden. Die thermische Reaktion Gl. (6) ist nur bei 862 K und Reaktion Gl. (7) nur bei 892 K reversibel, wo jeweils die reversible Arbeit verschwindet (Δ ^R G = 0). Bei tieferen Temperaturen gilt Δ ^R G < 0 und der Methanisie- rungsreaktor könnte Arbeit liefern, die aber aufgrund des vorhandenen thermischen Reaktorentwurfs dissipiert und als Wärme abgeführt werden muss. Bei höheren Temperaturen müsste wegen Δ ^R G > 0 dem Methanisierungsreaktor Arbeit zugeführt werden. Die Umwandlung der thermisch geführten Prozesse gemäß Gln. (6) und (7) in elektrochemische Prozesse mit H ⁺ -leitenden Elektrolyten gestattet es aber prinzipiell, bei der Methanisierungsreaktion elektrische Arbeit zurückzugewinnen. Alle genannten reversiblen Methanisierungsreaktionen Gln. (6) bis (10) geben stets Wärme ab, um exakt den Bedarf der vorgeschalteten Elektrolyseure zu decken. Die Kombination der H ₂ O bzw. CO ₂ Elektrolyse mit den von Gln. (6) bis (10) beschriebenen Methanisierungsreaktionen erfordert auch eine genauere Analyse der Wärmeflüsse bei den verknüpften Reaktionen. Analog zu Fig. 3 ist in Fig. 4 die Wärmeabgabe (-) der Methanisierungsstufe und die gesamte Wärmeaufnahme (+) der Elektrolyseure über der Temperatur aufgetragen. Mit steigender Temperatur nimmt der Betrag der abgegebenen und der aufgenommenen Wärme zu. Dies zeigt auf, dass daher niedrigere Temperaturen in den Prozessen zu niedrigeren Investitionskosten führen. Die eingezeichneten Arbeitsbereiche der Elektrolyse und der Methanisierungs- verfahren sind ebenfalls eingezeichnet, wie auch die ausgeschleuste O ₂ Stoffmenge als Parameter und über die vermerkten Gleichungsnummern ist die Zuordnung zu Elektrolyse- und Methanisierungsverfahren zu erkennen. Da die Temperatur der Methanisierung meist höher als die der zugehörigen Elektrolyse ist, wird mehr Wärme abgegeben, als für die Elektrolyse benötigt wird. Damit ergibt sich ein Überschuss in der Wärmeabgabe, die zur Verdampfung des Wassers für die Elektrolyse verwendet werden kann. Dieser Effekt ergibt sich, weil die Elektrolyse, die bei niedrigerer Temperatur arbeitet, mehr elektrische Leistung benötigt als bei höherer Temperatur, wo mehr Energie durch Wärme zugeführt wird. Diese unterschiedlichen Temperaturen sind wegen der Betriebstemperatur der Katalysatoren verfahrensbedingt und die so überschüssige (irreversible) Wärme kann so als Verdampfungswärme im System genutzt werden. Alle hier beschriebenen Verfahren zur Methanisierung nach Gln. (6) bis (10) haben drei unterschiedliche Temperaturniveaus als Gemeinsamkeit der Prozessführung. Diese sind mit ansteigender Temperatur der Umgebungszustand, das gemeinsame Temperaturniveau von Elektrolyseur und Verdampfer und das Temperaturniveau der Methanisierungsstufe. Wie in (Wolfgang Georg Winkler: Sustainable product develop- ment based on second law of thermodynamics. September 2011. Applied Energy 88(9): 3248-3256 DOI: 10.1016/j.apenergy.2011.03.020) gezeigt, lässt sich der Idealprozess sehr gut durch einen konsequenten Wärmeaustausch zwischen den sich erwärmenden und abkühlenden Stoffströmen zwischen den Temperaturniveaus annähern. Zur Erläuterung dieser Schaltungen am Beispiel der Prozessführung nach Gl. (6) dient Fig.5. Dabei ist ein O ^2- leitender Elektrolyt im Elektrolyseur (1) zugrunde gelegt und zur Verdeutlichung wird auf die daraus folgende Zuordnung zu O ₂ und H ₂ hingewiesen. Der Methanisierungsreaktor (11) wird über die Leitung (3) mit H ₂ und über die Leitung (12) mit CO ₂ versorgt. Von der dort freigesetzten Wärme wird zur Abdeckung der Wärme- bilanz der Anteil T .Δ ^R S dem Elektrolyseur (1) und der Anteil T .Δs _v dem Verdampfer (9) zugeführt. Über die Leitung (13) wird das CH ₄ –H ₂ O Gemisch entsprechend Gl. (6) aus dem Methanisierungsreaktor (11) abgeführt. Das CH ₄ -H ₂ O Gemisch wird dann über die Wärmeübertrager (16) zur H ₂ Vorwärmung und die zweite Stufe der CO ₂ Vorwärmung (17) schließlich zum Kondensator (15) zur Trennung von CH ₄ und H ₂ O geleitet. Das kondensierte H ₂ O wird im Behälter (6) gespeichert und das CH ₄ getrennt abgeführt (14). Zur Erzeugung von 1 mol CH ₄ müssen dem Elektrolyseur 4 mol H ₂ O zugeführt werden, die so zur einen Hälfte durch Rezirkulation und zur anderen von außen bereit- gestellt werden. Das benötigte H ₂ O wird über den Kondensator (15) nach Vorwärmung dem Verdampfer (9) und als Dampf über die Leitung (10) dem Elektrolyseur (1) zugeführt. Das aus dem Elektrolyseur austretende O ₂ wird über die Leitung (4) zu den Wärmeübertrager (17) als erster Vorwärmstufe zur Vorwärmung des eintretenden CO ₂ geleitet und dort abgekühlt. Mit diesen Vorarbeiten lassen sich die gestellten Aufgaben zur Verbesserung der Wirkungsgrade der synthetischen Erzeugung von H ₂ und CH ₄ und weiteren Kohlen- wasserstoffen, allgemein Kohlenwasserstoffverbindungen, die sich entsprechend den Kennfeldern der Fig. 3 und 4 verhalten, sowie zu deren technischer Umsetzung in folgenden Punkten spezifizieren. Der Einsatz sauerstoffionenleitender Elektrolyten kann abhängig von der Verfügbarkeit von geeigneten Katalysatoren und Elektroden auch eine direkte Methanisierung nach Gl. (5) ermöglichen. Dies bedeutet, dass pro erzeugtem mol CH ₄ mindestens 2 mol H ₂ O zugeführt werden müssen. Naturgemäß muss damit gleichzeitig dem System die entsprechende Verdampfungswärme zugeführt werden. Wenngleich die Reaktionsentropie bei Reaktionen nach (5) verschwindend gering ist, so muss dem reversiblen elektrochemischen Methanisierungsreaktor im Vergleichsprozess von außen wieder reversibel die Verdampfungswärme (T ₀ ∙ Δ ^R S +T ₀ ∙ Δs _v ) entsprechend Fig.20 zugeführt werden. Aufgabe der Erfindung 1. Nutzung der Prinzipien des reversiblen Vergleichsprozesses nach Fig. 1 zur Verbesserung der Energieeffizienz von "Power-to-Gas" Technologien auf der Basis von H ₂ und synthetischen Kohlenwasserstoffen, allgemein Kohlenwasser- stoffverbindungen, als Elemente der großtechnischen Stromspeicherung und zur Nutzung von CO ₂ als Rohstoff in geschlossenen Kreisläufen ohne CO ₂ Abgabe an die Umgebung; 2. Verbesserung der Energieeffizienz der H ₂ Erzeugung mit Hilfe von Elektrolyse durch Vorrichtungen zur Bereitstellung von H ₂ O in gasförmigen Zustand vor der elektrochemischen Elektrolysezelle, weitgehend unabhängig von der Betriebs- temperatur; 3. Verbesserung der thermischen Integration von vorgeschalteter Elektrolyse zur H ₂ Erzeugung und exothermer Methanisierungsreaktion nach Sabatier, sowie Nutzung des Arbeitspotentials dieser Reaktion zur Rückgewinnung und damit zur Verbesserung des Wirkungsgrades. 4. Verbesserung der thermischen Integration von vorgeschalteter Elektrolyse zur H ₂ Erzeugung und exothermer Methanisierung in potentiellen neuen elektrochemi- schen Prozessen. 5. Systemintegration der neu entwickelten oben genannten Gaserzeuger in ein Stromspeichersystem und mit integriertem Recycling für CO ₂ als nachhaltigem Industrierohstoff. 6. Übertragung der Prozesslogik und -vorrichtung auf andere verwandte Prozess- führungen. Lösung der Aufgabe Die erarbeitete reversible Prozessführung der Stromspeicherung mit Hilfe von H ₂ , wie sie in Fig. 1 angegeben wurde, lässt sich mit geringfügigen Adaptionen unmittelbar in eine technisch umsetzbare Vorrichtung zur Stromspeicherung zur Netzstabilisierung mit hoher Effizienz umsetzen, deren Aufbau unmittelbar zu den gesuchten Vorrichtungen zur energieeffizienten Erzeugung von H ₂ und vorteilhaft CH ₄ sowie weiteren synthetischen Kohlenwasserstoffen, allgemein Kohlenwasserstoffverbindungen, führt. Entscheidend für die Übertragung der Prinzipien auf eine Vorrichtung ist, dass dem Elektrolyseur durch eine geeignete Wärmerückgewinnung bzw. Nutzung von Abwärme das benötigte H ₂ O immer nur in der Gasphase zur Verfügung gestellt wird, um hohe Wärmeverluste durch die notwendige H ₂ O Verdampfung zu vermeiden. Die technische Lösung der Stromspeichervorrichtung, wie sie in Fig. 6 gezeigt ist, unterscheidet sich von dieser reversiblen Grundstruktur nur dadurch, dass real auftretenden Temperatur- und Druckdifferenzen Rechnung getragen wird. Dazu wird die Brennstoffzelle (2) bei Strombedarf mit H ₂ und O ₂ aus den Gasspeichern (3a) und (4a) versorgt und mit einer soweit höheren Temperatur als der Elektrolyseur (1) betrieben, dass ein zuverlässiger Wärmeaustausch über den Wärmespeicher (8) gesichert wird. Der Druck des Abdampfs der Brennstoffzelle (2) wird mit einem Dampfkompressor (18) entsprechend erhöht, damit der Wärmespeicher (7) vom Kondensator (5) bei der Kondensation des Abdampfs der Brennstoffzelle mit Abwärme mit ausreichend hoher Temperatur versorgt werden kann und das Kondensat wird dem H ₂ O Behälter (6) zugeführt. Bei Stromüberschuss wird der Elektrolyseur (1) vom H ₂ O Behälter (6) über die Speisepumpe (19), den Verdampfer (9) und die H ₂ O Leitung (10) mit Dampf versorgt und füllt dann die beiden Gasspeicher (3) und (4) wieder mit H ₂ und O ₂ auf. Die dazu erforderliche Wärme wird dem Wärmespeicher (7) entnommen. Die im Wärmespeicher (8) gespeicherte Wärmemenge, die aus der Abgabe der Reaktionsentropie der Brennstoffzelle folgt, ist bei niedrigen Betriebstemperaturen des Elektrolyseurs relativ klein. Es empfiehlt sich daher hier zu prüfen, ob die Betriebs- bedingungen des Elektrolyseurs einen wirtschaftlichen zusätzlichen Speichereinbau zulassen, oder ob es sinnvoller ist, den Wärmeverlust durch elektrische Beheizung auszugleichen oder andere Lösungen zu suchen. Erfindungsgemäß ist die Verdampfungswärme aus der Wärmequelle (22, 27) Abwärme aus Prozessen oder aus der Umgebung gewonnene Abwärme. Abwärme aus (industriellen) Prozessen ist insbesondere industrielle Abwärme, vorzugsweise mit einer Temperatur von maximal 400 °C, weiter vorzugsweise maximal 300 °C, noch weiter vorzugsweise maximal 200 °C. Abwärme aus Prozessen ist vorteilhaft externe Abwärme, d.h. sie wird der erfindungsgemäßen Vorrichtung von außen zugeführt und stammt beispielsweise aus einem externen industriellen Prozess und nicht aus Prozessen innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere nicht aus der Abwärme einer Brennstoffzelle in der erfindungsgemäßen Vorrichtung, es sei denn, diese Wärme würde ansonsten bestimmungsgemäß in die Umgebung abgeführt. Eine Wärmepumpe kann entfallen, wenn die Temperatur der Abwärme über der erforder- lichen Verdampfungstemperatur liegt. Eine in Fig.7 gezeigte vereinfachte Vorrichtung mit gleicher Funktionsweise unterschei- det sich von der oben besprochenen Grundlösung dadurch, dass das System aus Kondensator (5), H ₂ O Behälter (6), Wärmespeicher (7) und Verdampfer (9) durch einen Dampfspeicher (20) ersetzt wird, der bei Stromüberschuss den Elektrolyseur (1) mit Dampf versorgt und bei Strombedarf vom Abdampf der Brennstoffzelle über den Dampfkompressor (18) erneut aufgeladen wird. Zur Erhöhung der Versorgungssicher- heit kann der Dampfspeicher (20) mit einer elektrischen Beheizung zur Druckhaltung oder einem Anschluss an ein Dampfnetz, soweit vorhanden, oder weiteren verbun- denen Dampfspeichern oder anderen Wärmespeichern ausgerüstet werden und so in eine industrielle Sektorenkopplung mit großem Speichervolumen eingebunden sein. Die geschilderte Vorrichtung lässt sich ebenso bei regenerativen Brennstoffzellen (1/2), die auch als Elektrolyseur betrieben werden können, einsetzen, wie Fig. 8 zeigt. Dazu wird der Dampfspeicher (20) über ein Dreiwegeventil (21) gleichzeitig mit der regenera- tiven Brennstoffzelle (1/2) und dem Dampfkompressor (18) verbunden. Im Brennstoff- zellenbetrieb verbindet das Dreiwegeventil (21) die regenerative Brennstoffzelle (1/2) mit dem Dampfkompressor (18) und der Dampfspeicher (20) wird mit dem gebildeten dampfförmigen H ₂ O aufgeladen. Im Elektrolysemodus verbindet das Dreiwegeventil den Dampfspeicher (20) mit der im Elektrolysebetrieb befindlichen regenerativen Brennstoff- zelle (1/2). Zur Erhöhung der Betriebssicherheit und des Speichervolumens kann der Dampfspeicher (20) auch in einem Dampfnetz mit weiteren Dampfspeichern verbunden und in eine industrielle Sektorenkopplung eingebunden sein. Wie bereits ausgeführt anhand der Erweiterung der Bilanzgrenze des Systems Elektro- lyseur–Brennstoffzelle, wie sie in Fig. 20 gezeigt wurde, lassen sich demnach die in Fig.1 dargestellte Möglichkeiten der Prozessverbesserung auch für offene Kreisläufe zur H ₂ Produktion und daraus folgend für die CH ₄ Produktion und unter bestimmten Voraussetzungen auch zur Erzeugung weiterer Kohlenwasserstoffe (CnHm) oder Kohlenwasserstoffverbindungen nutzen. Thermodynamisch lässt sich der oben beschriebene reversible Prozess annähern, wenn die bei der H ₂ Oxidation freigesetzte Verdampfungswärme – sei es in einer Brennstoffzelle oder in einem Verbrennungs- reaktor – mangels Rekuperationsmöglichkeit bei deren Kondensation an die Umgebung abgegeben wird, wenn umgekehrt die Verdampfungswärme des für der Elektrolyse benötigten H ₂ O wieder aus der Umgebung gewonnen werden kann. Dies kann im Rahmen einer Systemintegration der Elektrolyse (1) mit Hilfe einer Schaltung, wie sie in Fig.9 angegeben ist, erreicht werden, beziehungsweise zumindest angenähert werden. H ₂ O wird aus dem Behälter (6) über die Speisepumpe (19) dem Verdampfer (23) zugeführt und dort aus der Wärmequelle (22) mit ausreichend Verdampfungswärme versorgt und der entstandene Dampf wird dann dem Elektrolyseur (1) zugeführt. Der Verdampfer (23) kann in seiner konstruktiven Ausführung den Dampfspeicher (20) in den Verdampfer (9) integrieren. Wenn beispielsweise die Wärmequelle (22) mit Solar- wärme oder geothermischer Wärme mit Verdampfungswärme versorgt wird, so wäre die Forderung nach einem reversiblen Prozess durchaus gut angenähert, da die Umgebung durch diese Art der Wärmeübertragung den Verdampfer mit der bei der H ₂ Oxidation abgegebenen Entropie (zumindest näherungsweise) wieder versorgt hätte. Wenngleich nicht stets dieser Idealfall erreichbar ist, so kann ein Aufbau gemäß Fig.9 stets genutzt werden, um Abwärme aus verschiedenen Prozessen gegebenenfalls im Rahmen der Wirtschaftlichkeit mit Hilfe von Wärmepumpen, wie bereits im Vergleichsprozess nach Fig. 20 gezeigt, zur Verdampfung des dem Elektrolyseur zugeführten H ₂ O genutzt werden, um die Exergieverluste von 17% bei der H ₂ Produktion deutlich zu vermindern. Der Vorteil dieses Ansatzes ist, dass bei industriellen Anlagen dazu Dampf mit geringer Exergie genutzt werden kann, um die Dissipation von elektrischer Arbeit einzusparen. Einen dazu vorteilhaften Einbau eines Elektrolyseurs (1) in einen integrierten Verdampfer (26), der gleichzeitig, ähnlich einem Großwasserraumkessel auch als Dampfspeicher (20) bzw. zur Dampfspeicherung dient, zeigt die Vorrichtung nach Fig. 10. Die Beheizung kann dabei mit einer Wärmequelle (27) in verschiedenster Weise erfolgen. So können etwa verschiedene wärmeabgebende Fluide durch Rohre geleitet werden oder auch exotherme Reaktionen, die gekühlt werden müssen, können dort ablaufen. Die Wärmequellen (27) sind dabei parallel so anzuordnen, dass ein geordneter Verdampfungsvorgang und Wasserumlauf in der Verdampfersektion (9) sichergestellt werden kann. Der Elektrolyseur (1) besteht aus parallel angeordneten Zellgruppen (24), die platten- oder röhrenförmig aber auch als mikroverfahrenstechni- sche Module ausgebildet sein können, die von einem Hüllrohr (25) umgeben sind. Der Dampf wird über den Dampfdom (28), die Dampfleitung (29) zu den Verteilern (30) und dann den im Hüllrohr (25) befindlichen Zellgruppen (24) geleitet. Die parallelen Strömungsverteiler (30) verbinden die Zellgruppen (24) und die zugehörigen Hüllrohre (25) mit den parallelen Sammlern (31) und (32). Aus den Sammlern (31) und (32) treten dann die Gase der Systeme (3) und (4) aus. Wird ein H ⁺ - leitender Elektrolyt für die Zellgruppen (24) verwendet, so tritt H ₂ als Gas in (3) und O ₂ als Gas in (4) aus. Beim Einsatz eines O ^2- -leitenden Elektrolyten tritt H ₂ als Gas in (4) und O ₂ als Gas in (3) aus. Die H ₂ O Zufuhr erfolgt über den Einlassstutzen (33), wobei das eintretende Wasser schon bis nahe an die Sattdampftemperatur vorgewärmt sein sollte. Bei Einsatz des Elektrolyseurs in Industrieanlagen mit Dampfnetzen lässt sich der Einlassstutzen (33) auch zur Einspeisung von Fremddampf zur Temperaturhaltung des Systems bei Still- ständen und auch je nach den Möglichkeiten der Systemintegration zu einer Dampf- beheizung anstelle der Wärmequelle (27) nutzen. Zur Inbetriebnahme und als Notversorgung ist auch eine elektrische Beheizung des Verdampfers möglich. Im Falle eines integrierten H ₂ Stromspeichers gemäß den in den Fig. 7 behandelten Strukturen werden die einzelnen Brennstoffzellgruppen (2) analog zu den Elektrolysezellen (24) mit oder ohne Hüllrohre entsprechend (25) umgeben und unter Beibehaltung der in Fig. 7 angegeben Schaltung gleichzeitig als Wärmequelle (27) verwendet. Zu beachten ist dabei, dass im Vergleich zum Aufbau des Elektrolyseurs (1) entsprechend der prozessbedingten Umkehrung der Strömungsrichtung die beteiligten Gase H ₂ und O ₂ beim Brennstoffzellenprozess über zwei getrennte Strömungsverteiler in die Brennstoff- zelle eintreten und das Produkt H ₂ O über einen Austrittssammler zum Dampfkompres- sor (18) geführt wird und dann über den Eintritt (33) in den integrierten Verdampfer (26) geleitet wird. Eine Option ist, dass der Dampfkompressor (18) den höher gespannten Dampf nicht nur in die Verdampfersektion (9), sondern auch in den Dampfraum (35a) eindüst. An Stelle einer elektrischen Beheizung können auch die Gasspeicher (3a) und (4a) zur Wärmeversorgung der Druckhaltung des integrierten Verdampfers und damit integrierte H ₂ Brenner, die mit O ₂ versorgt werden und die ihr Abgas H ₂ O direkt in die Verdampfersektion (9) einspeisen, verwendet werden. Bei integrierten H ₂ Strom- speichern entsprechend Fig. 8 reicht die hier gezeigte Integration der regenerativen Brennstoffzelle (1/2) an Stelle des Elektrolyseurs (1) in den integrierten Verdampfer (26) alleine aus und dieser übernimmt die Aufgaben des Dampfspeichers (20) und des Wärmespeichers (8). Das aus der Brennstoffzelle (1/2) austretende H ₂ O wird wieder über den Dampfkompressor (18) dem integrierten Verdampfer (26) zugeführt. Fig.11 zeigt eine Variation der Vorrichtung nach Fig.10, bei dem die Strömungsverteiler (30) und die Sammler (31) und (32) durch Kammern ersetzt werden. An Stelle des Strömungsverteilers (30) tritt der Dampfraum (34), der durch einen Rohrboden (35) von der eigentlichen Verdampfersektion (9) getrennt ist. Analog werden die beiden Sammler (31) und (32) durch die beiden Gasräume (36) und (37) ersetzt, die mit den Rohrböden (35) gebildet werden. Die Strömungsführung und Gasverteilung ist analog zu dem zu Fig. 10 Gesagtem. Im Falle eines integrierten H ₂ Stromspeichers gemäß den in Fig. 7 oder 8 vorgestellten Varianten gilt das oben bei der Beschreibung der Fig.10 Gesagte. Eine weitere Vereinfachung des konstruktiven Aufbaus der Vorrichtung zeigt Fig. 12. Der Elektrolyseur ist wie in Fig. 10 und 11 aufgebaut mit dem Unterschied, dass das Hüllrohr (25) weggelassen wird und die Zellen direkt in der Verdampfersektion (9) angeordnet sind. Damit reduziert sich die Anzahl der Rohrböden (35) auf nur noch einen und die Abfuhr der erzeugten Gase O ₂ und H ₂ erfolgt über die zugeordneten Auslassstutzen der Leitungen (3) und (4). Dabei ist es möglich, dass Dampf mit den austretenden Produktgasen O ₂ oder H ₂ ebenfalls mitgerissen wird. Dieser Effekt lässt sich mit Zyklonen und ggf. durch nachfolgende Kondensation weitgehend reduzieren. Welche Gase jeweils an (3) und (4) austreten, hängt vom gewählten Elektrolyten ab und entspricht dem oben bereits Gesagten. Im Falle eines integrierten H ₂ Stromspeichers gemäß den in den Fig. 7 behandelten Strukturen gilt Entsprechendes, wie bei der Beschreibung von Fig.10. Wie die Fig. 3 und 4 zeigen, erfüllt die in den Fig. 10 bis 12 gezeigte Vorrichtung sehr gut auch die Voraussetzungen für die Optimierung von Vorrichtungen zur CH ₄ Erzeugung und ihrer thermischen Integration mit der vorgeschalteten Elektrolyse. Fig. 13 zeigt dazu die Beheizung (11) des integrierten Verdampfers am Beispiel der in Fig. 12 gezeigten Variante mittels einer exothermen Reaktion anhand der Methanisierungs- reaktion Gl. (6) an Stelle oder als Ergänzung der allgemeinen Wärmequelle (27). Gleichzeitig zeigt dies auch den prinzipiellen Aufbau der damit verbundenen weiteren notwendigen Systemintegration für einen integrierten CH ₄ Generator. Grundsätzlich sind alle in den Gln. (6) bis (10) angegebenen Methanisierungsreaktionen exotherm und daher prinzipiell zur Beheizung des Verdampfers geeignet, wie auch bereits bei Fig. 4 erläutert. Die dazu erforderlichen Grundprinzipien zum Entwurf integrierter CH ₄ Generatoren, die die elektrolytische H ₂ -Erzeugung mit sowohl thermischen als auch möglichen elektrochemischen CH ₄ Methanisierungsreaktoren verbinden, sind bereits in Fig.5 vorgestellt worden. Zur weiteren Verdeutlichung der Konstruktionsprinzipien eines hochintegrierten CH ₄ Generators wird deshalb die bereits in Fig. 5 gewählte und erläuterte Reaktionsführung gemäß Gl. (6) auch in Fig.13 weiter verwendet. Wie in Fig. 12 ist hier die Zuordnung von System (4) zu O ₂ und von System (3) zu H ₂ unmittelbar deutlich, weil nur H ₂ und nicht O ₂ in den Methanisierungsreaktor (11) fließen darf. Das Fluid im Leitungssystem (12) ist CO ₂ und fließt ohne vorgeschaltete Elektrolyse zu dem Methanisierungsreaktor (11). Der Systemaufbau entspricht den in (Wolfgang Georg Winkler: Sustainable product development based on second law of thermodynamics. September 2011. Applied Energy 88(9): 3248-3256 DOI: 10.1016/j.apenergy.2011.03. 020) formulierten Regeln. Danach müssen zunächst Reaktanten und Produkte zur Wärmerückgewinnung eingesetzt werden und dabei die einzelnen Temperaturniveaus der betroffenen Reaktionen beachtet werden, bevor zusätzlich Wärme zugeführt werden darf. In der ersten Stufe werden aus dem Reaktanden H ₂ O die Produkte H ₂ und O ₂ gewonnen. In der zweiten Reaktionsstufe werden aus den Reaktanden H ₂ und CO ₂ gemäß Gl. (6) CH ₄ und H ₂ O erzeugt. Daraus folgen die drei unterschiedlichen Temperaturniveaus Umgebung, Verdampfer/Elektrolyseur und Methanisierung zwischen denen jeweils die hier gezeigte Wärmerück-gewinnung stattfindet. Über die Leitung (13) wird das CH ₄ –H ₂ O Gemisch entsprechend Gl. (6) aus dem Methanisierungsreaktor (11) abgeführt. Das CH ₄ –H ₂ O Gemisch wird dann über die Wärmeübertrager (16) zur H ₂ Vorwärmung und die zweite Stufe der CO ₂ Vorwärmung (17) und schließlich zum Kondensator (15) zur Trennung von CH ₄ und H ₂ O geleitet. Das kondensierte H ₂ O wird im Behälter (6) gespeichert und das CH ₄ getrennt abgeführt (14). Vom Elektrolyseur werden 4 mol H ₂ O für die Erzeugung von 1 mol CH ₄ benötigt, die so zur einen Hälfte durch die Rezirkulation und zur anderen von außen bereitgestellt werden. Diese 4 mol H ₂ O/mol CH ₄ werden über den Kondensator (15) nach Vorwärmung über die Leitung (33) der Verdampfersektion (9) zugeführt und als Dampf intern dem Elektrolyseur (1) zugeführt. Das aus dem Elektrolyseur austretende O ₂ wird über den Wärmeübertrager (17) als erste Vorwärmstufe zur Vorwärmung des eintretenden CO ₂ verwendet. Dabei kann der Kondensator (15) auch als Abwärmequelle der Wärmepumpe dienen. Da die elektrolytische H ₂ Erzeugung auch gemeinsam mit der elektrolytischen Erzeugung von CO kombiniert werden muss, ist in Fig. 14 eine entsprechende Ergänzung zu dem in Fig. 13 gezeigtem Systemaufbau der Vorrichtung dargestellt. Die Änderungen im System betreffen aber nur den Bereich der Vorrichtung, der die Zuleitung des CO ₂ (12) und die damit verbundenen Komponenten umfasst. Diese betreffen insbesondere die mit der Zu- und Ableitung der Prozessgase CO ₂ und CO verbundene Änderung der Vorwärmung. Die zweite Vorwärmstufe von CO ₂ wird durch eine dem Temperaturniveau entsprechende Vorwärmung von CO durch das CH ₄ –H ₂ O Gemisch im Wärmeübertrager (42) ersetzt. Die konstruktiven Optionen zur Integration des CO ₂ Elektrolyseurs (39) können Fig. 10 und 11 am Beispiel der Einbindung des H ₂ O Elektrolyseurs entnommen werden. Die in Fig. 14 gezeigte Lösung lehnt sich an Fig. 10 an. Bei der gleichzeitigen Integration der Elektrolyseure zur Erzeugung von H ₂ und CO ist besonders darauf zu achten, dass Kurzschlüsse im integrierten Verdampfer (26) vermieden werden. Das CO ₂ wird über die Leitung (12) zum Verteiler (38) des CO ₂ Elektrolyseurs (39) geführt und dort unter Abgabe von 1/2 O ₂ in die Verdampfersektion (9) analog zur H ₂ O Elektrolyse in CO umgewandelt. Dieses wird über den Sammler (40) und die Leitung (41) zum Vorwärmer (42) und von dort in den Methanisierungsreaktor (11) geleitet. Die Konzeption der Behandlung des CH ₄ –H ₂ O Gemisches, das aus dem Methanisierungsreaktor (11) austritt, bleibt gegenüber Fig.13 unverändert. Analog zu Fig. 11 lässt sich diese Vorrichtung konstruktiv weiter vereinfachen, wie in Fig. 15 dargestellt. Dort wird der Verteiler (38) durch eine CO ₂ Eintrittskammer (43) ersetzt, die der Gasversorgung der Elektrolysezelle (39) dient. Das in der Elektrolyse- zelle (39) gebildete CO wird dann in die H ₂ Austrittskammer (36) geführt und das H ₂ – CO Gemisch wird wie in Fig. 13 über die Leitung (3) nach Vorwärmung im Wärme- übertrager (16) dem Methanisierungsreaktor (11) zugeführt. Eine weitere Möglichkeit der Verbesserung des Wirkungsgrades der Methanisierung gemäß den Gln. (6) und (7) ergibt sich unter Ausnutzung des in Fig. 3 angegebenen nicht genutzten Potentials zur Rückgewinnung von elektrischer Arbeit bei diesen thermischen Verfahren. Fig. 16 dient der Erläuterung der praktischen Umsetzung. In den Methanisierungsreaktor (11) strömen H ₂ und CO ₂ nach Gl (6) oder CO nach Gl (7). In beiden Fällen wird gegenüber dem Bedarf der CH ₄ Erzeugung allein zusätzliches H ₂ benötigt, um O ₂ nach Oxidation mit H ₂ durch Kondensation von CH ₄ trennen zu können. Das vorhandene Potential zur Lieferung elektrischer Arbeit lässt sich dadurch nutzen, dass die Zugabe von H ₂ mit Hilfe einer H ⁺ -leitenden Brennstoffzelle erfolgt. An der äußeren Oberfläche der Brennstoffzelle treten dann H ⁺ Ionen aus und reagieren mit CO ₂ beziehungsweise CO zu CH ₄ und H ₂ O. Bei allen hochintegrierten Systemen gemäß den Fig. 10 bis 16 ist besonders darauf zu achten, dass keine Kurzschlüsse zwischen den integrierten stromführenden Bauteilen auftreten können und konstruktiv ausgeschlossen werden. Bei der bereits oben angesprochenen direkten elektrochemischen Erzeugung von CH ₄ mit Hilfe von O ^2- -leitenden Elektrolyten lassen sich die oben hergeleiteten Konstruk- tionsprinzipien auf die entsprechenden Vorrichtungen anpassen. Fig. 21, die aus der Konstruktion nach Fig. 11 hervorgeht, zeigt als exemplarisches Beispiel eine Vorrich- tung für eine Methanisierungsreaktion gemäß Gl. (5). Die Elektrolysezellen (24) werden dabei durch Methanisierungsreaktoren (11) ersetzt, deren Wände aus O ^2- -leitenden Elektrolyten gebildet werden, wodurch mit dem Hüllrohr (25a) der Kanal (37a) gebildet wird, welcher zur Ableitung des bei der Reaktion entstehenden O ₂ dient. Die Dampf- versorgung erfolgt über die Dampfleitung (29) in den Dampfraum (34). Die CO ₂ Zufuhr erfolgt dorthin über die Leitung (12) nach dessen Vorwärmung im Wärmeübertrager (17), das Gemisch aus H ₂ O und CO ₂ wird dann in den Methanisierungsreaktor (11) geleitet. Entsprechend der Gestaltung des getrennten Gaseintritts mit Hilfe von Verteilern oder Kammern gemäß Fig. 10 oder Fig. 11 kann auch eine getrennte Zufuhr von CO ₂ und dampfförmigem H ₂ O in den Methanisierungsreaktor erfolgen. Abhängig von den verwendeten Katalysatoren sind unterschiedliche Betriebstemperaturen für solche Methanisierungsreaktoren möglich, daher wird wegen der möglichen unter- schiedlichen Betriebszustände auf die schon zitierten Auslegungsregeln zur Wärme- rückgewinnung in (Wolfgang Georg Winkler: Sustainable product development based on second law of thermodynamics. September 2011. Applied Energy 88(9): 3248-3256 DOI: 10.1016/j.apenergy.2011.03.020) und auf die vorgestellten Ausführungsformen in den Fig.10 bis 15 verwiesen. Mit Hilfe von Kombinationen mit den Vorrichtungen zur Erzeugung von H ₂ und CH ₄ entsprechend den Gln. (6) bis (10) lassen sich die Eintrittsgaskonzentrationen der Methanisierungsreaktoren (11) für verschiedene Katalysatoren optimieren. Die Vorrichtung gemäß Fig. 21 muss dazu nur durch den Einbau von H ₂ O und/oder CO ₂ Elektrolysezellen entsprechend den Ausführungsformen von Fig. 10 bis 15 ergänzt werden. Falls etwa eine Zumischung von H ₂ gewünscht wird, lässt sich die Vorrichtung nach Fig.21 mit einer H ₂ O Elektrolyse kombinieren, wie Fig.22 am Beispiel von Gl. (9) zeigt. Dazu müssen lediglich die Kammern (34, 36, 37) am Eintritt und Austritt mit einer Trennwand (35a) geteilt werden und/oder mit der Bauform von Strömungsverteilern (30) und Sammlern (31), (32) ergänzt oder ersetzt werden. Die entsprechende Teilung am Austritt führt zu einer Kammer (36) für CH ₄ und einer Kammer (36a) für H ₂ . Die Konstruktion des Elektrolyseteils entspricht Fig.11 mit einem O ^2- -leitenden Elektrolyten. Das gebildete H ₂ wird über die Leitung (3) der CO ₂ -Leitung (12) zugemischt. Alternativ kann die Zumischung des H ₂ auch dampfseitig in der Leitung (29) oder in der Eintritts- kammer (34) erfolgen, dabei ist über den Abzweig (3a) auch eine optionale H ₂ Entnahme möglich. Über eine Regeleinrichtung (29a) erfolgt die Regelung der der Elektrolyse (1, 24) zugeführten Dampfmenge und damit der H ₂ Produktion. In gleicher Weise lässt sich auch bei der Versorgung der Methanisierungsreaktoren (11) mit CO und CO ₂ deren Verhältnis regeln. Ist nur eine geringere H ₂ Zugabe zur Methanisierung erforderlich, so kann in Anlehnung an Fig. 12 bei Einsatz eines H ⁺ -leitenden Elektro- lyten auf das Hüllrohr (25) verzichtet werden, wobei der Dampf und das gebildete H ₂ über die Verdampfersektion (9) und die Leitung (29) dem Methanisierungsreaktor (11) zugeführt werden. Das aus dem Elektrolyseur (1, 24) austretende O ₂ wird dann über den Gasraum (37) abgeführt und die Trennwand (35a) und der Gasraum (36a) entfal- len. Der Einbau einer CO ₂ Elektrolyse (39) erfolgt analog zu der einer H ₂ O Elektrolyse (1) mit O ^2- -leitenden Elektrolyten und dementsprechend einem Hüllrohr analog zu (25) und mit den zugehörigen Gasräumen (43) und oder Strömungsverteilern (38) und Sammlern (40). Die Leitung (41) leitet das gebildete CO zum Methanisierungsreaktor (11). Die geometrische Anordnung der einzelnen integrierten Methanisierungsreaktoren (11) und der Elektrolyseure (1) und (39) wird entscheidend von deren Einfluss auf die Wärme- und Stoffkonzentrationen sowie den Wärme- und Stofftransport bestimmt und ggf. mit Einbauten zur Strömungsführung optimiert. Die weitere Integration der nach den o.g. Konstruktionsprinzipien entworfenen Vorrichtung eines integrierten CH ₄ Generators (44) in ein nachhaltiges Energiesystem ist wesentlich für die Nachhaltigkeit und CO ₂ Freiheit seines Betriebs. Auch hierbei stellt der reversible Vergleichsprozess nach Fig. 1 die theoretische Grundlage der Prozess- führung dar. Dementsprechend wird das erzeugte CH ₄ in vorhandenen Gasspeichern (45) gelagert und in Brennstoffzellen (2) zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt. Das entstandene Abgas enthält nur mehr CO ₂ und H ₂ O und durch die Restwärmenutzung in einem Rauchgaskondensator (46) lassen sich CO ₂ und H ₂ O trennen. Das entstandene CO ₂ wird über ein CO ₂ Leitungssystem (12) nach einer Verdichtung in dem CO ₂ Kompressor (47) dem CO ₂ Speicher (48) zugeführt, der seinerseits wieder den CH ₄ Generator (44) versorgt. Zur Verbesserung der Nachhaltigkeit des Energiesystems und der Rohstoffwirtschaft ist es zweckmäßig, aus den Gasspeichern (45) den C _n H _m Bedarf, allgemein Bedarf an Kohlenwasserstoffverbindungen, von Industrie und Gewerbe (49) zu decken. Da die CH ₄ Synthese aber CO ₂ als Rohstoff benötigt, ergibt sich aus dieser Lieferbeziehung der regenerativen CH ₄ Versorgung zwangsläufig die unabweisbare Notwendigkeit auch CO ₂ aus Kunststoffabfällen zu recyclen und über die Leitung (12) dem CH ₄ Generator zurückzuführen. Da die volumetrische Energiedichte von CH ₄ etwa viermal höher als die von H ₂ ist, kann mit CH ₄ deutlich mehr Energie für die Abdeckung saisonal bedingter längerer schwerer Versorgungsengpässe der regenerativen Strom- einspeisung vorgehalten werden, als dies mit H ₂ möglich wäre. Daher ist es zweck- mäßig, zur Sicherung der H ₂ Versorgung auch bei längerem Erzeugungsausfall regenerativer Stromerzeugung die Möglichkeit der H ₂ Erzeugung aus CH ₄ (50) konzeptionell vorzusehen und so die H ₂ Versorgungssicherheit deutlich zu erhöhen. Umgekehrt ist auch die Wasserstoffversorgung (4) der Industrie aus der laufenden Wasserstoffproduktion (51) eine sinnvolle Ergänzung. Das ebenfalls eingezeichnet H ₂ O System (10) soll den H ₂ O Bedarf der geschilderten Prozesse verdeutlichen, dieses dürfte aber praktisch wohl nur bei hochintegrierten Industriestandorten von Interesse sein. Die hier am Beispiel der CH ₄ Erzeugung hergeleitete Prozessführung der Vorrichtungen und die hier gezeigten technischen Lösungen zu deren anlagentechnischer Umsetzung lassen sich auch, wie schon mehrfach angedeutet, zur Herstellung von C ₂ H ₄ und weiteren Kohlenwasserstoffe CnHm oder Kohlenwasserstoffverbindungen nutzen. Voraussetzung dafür ist, dass die Thermodynamik ihrer Prozessführung den in den Fig. 3 und 4 gezeigten Kennfeldern von Reaktionsarbeit, Reaktionswärme und O ₂ Ausschleusung in den Elektrolyseuren und in dem Methanisierungsreaktor entspricht, um diese Strukturen nutzen zu können. In Fig.18 ist dazu beispielhaft eine Zusammen- stellung vergleichbarer Reaktionsgleichungen von CH ₄ und C ₂ H ₄ und der zugehörigen Methoden der O ₂ Ausschleusung angegeben.