Η τροπόσφαιρα αποτελεί το χαμηλότερο τμήμα της ατμόσφαιρας, με πάχος περίπου δέκα έως δεκαπέντε χιλιόμετρα. Σε αυτή εμπεριέχονται αέρια που ονομάζονται «αέρια του θερμοκηπίου». Καθώς η ηλιακή ακτινοβολία φτάνει στη γη, ένα τμήμα της μετατρέπεται σε θερμότητα η οποία απορροφάται από τα αέρια αυτά και παγιδεύεται κοντά στο έδαφος. Με τον τρόπο αυτό η επιφάνεια της γης ζεσταίνεται, και διατηρείται θερμή, σε αντίθεση με τους υπόλοιπους πλανήτες οι οποίοι παρουσιάζουν ακραίες διακυμάνσεις θερμοκρασίας.Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται «φαινόμενο του θερμοκηπίου» και η ύπαρξη και λειτουργία του έχει διαπιστωθεί και διερευνηθεί πειραματικά εδώ και αιώνες. Η ζωή όπως τη γνωρίζουμε υπάρχει μόνο εξαιτίας αυτού του φυσικού φαινόμενου του θερμοκηπίου, καθώς η λειτουργία του ουσιαστικά ρυθμίζει την θερμοκρασία της επιφάνειας της γης και κατ επέκταση της βιόσφαιρας. Χωρίς το φαινόμενο του θερμοκηπίου, η επιφάνεια της γης θα ήταν μόνιμα καλυμμένη με πάγο. Το ποσό της θερμότητας που παγιδεύεται στην τροπόσφαιρα καθορίζει την θερμοκρασία της επιφάνειας της γης. Το ποσό αυτό καθορίζεται από τις συγκεντρώσεις των αερίων του θερμοκηπίου σε αυτή, καθώς και τον χρόνο παραμονής των αερίων αυτών σε αυτή. Τα πιο σημαντικά αέρια του θερμοκηπίου είναι το διοξείδιο του άνθρακα, οι χλωρο-φθορ-άνθρακες τα οξείδια του αζώτου και το μεθάνιο.
Λόγω των ανθρώπινων δραστηριοτήτων, το ποσό του διοξειδίου του άνθρακα που εκλύεται στην ατμόσφαιρα αυξάνει σημαντικά (με γεωμετρική πρόοδο) τα τελευταία 160 χρόνια. Έτσι, ο ρυθμός έκλυσης του διοξειδίου του άνθρακα ξεπέρασε τον φυσικό ρυθμό δέσμευσής από τη βιομάζα (φωτοσύνθεση), τους ωκεανούς (διάλυση – ένα καθόλου «ανώδυνο» για τη ζωή φαινόμενο) ή άλλες καταβόθρες. ‘Έτσι, αφού η εκλυόμενη ποσότητα δεν απομακρύνεται όλη από την ατμόσφαιρα, μοιραία το διοξείδιο του άνθρακα συσσωρεύεται σε αυτή, αυξάνοντας τις συγκεντρώσεις του και το χρόνο παραμονής του.
Η συγκέντρωση του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα αυξήθηκε από 280ppm το έτος 1850 σε 386ppm το 2009 (ποσοστό αύξησης 37,8%), κυρίως λόγω των ανθρώπινων δραστηριοτήτων κατά τη διάρκεια της βιομηχανικής επανάστασης του 1850 και στα μετέπειτα χρόνια. Έτσι, το ποσό του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα αυξάνει κυρίως λόγω της καύσης των ορυκτών καυσίμων της παραγωγής τσιμέντου και της αποψίλωσης και αποτέφρωσης μεγάλων δασικών εκτάσεων. Περίπου το 35% της σημερινής συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα οφείλεται σε αυτές ακριβώς τις δραστηριότητες, ενώ με βάση τις γεωλογικές δραστηριότητες θεωρείται πως μόνο μια μικρή μεταβολή της ποσότητάς του θα είχε συντελεστεί με φυσικό τρόπο μέσα στην αναφερόμενη χρονική περίοδο (1850-2009).
Το γεγονός αυτό έχει δημιουργήσει ένα σοβαρό περιβαλλοντικό πρόβλημα: η ποσότητα των αερίων του θερμοκηπίου αυξήθηκε δραματικά, με αποτέλεσμα την αύξηση της ποσότητας της θερμότητας που παγιδεύεται από την ηλιακή ακτινοβολία στην τροπόσφαιρα και κατά συνέπεια την αύξηση της θερμοκρασίας της τροπόσφαιρας και κατ’ επέκταση της βιόσφαιρας. Η αύξηση αυτή οδηγεί με πολλούς τρόπους σε κλιματική αλλαγή. Έτσι, η μη-φυσική έκλυση των αερίων του θερμοκηπίου οδηγεί στην ανθρωπογενή «πλανητική υπερθέρμανση». Σήμερα θεωρείται πως η υπερθέρμανση αυτή προκαλεί αύξηση της έντασης των καταιγίδων, τήξη των παγόβουνων στις αρκτικές περιοχές και αύξηση της μέσης στάθμης της θάλασσας με άμεση συνέπεια τις πλημμύρες. Ταυτόχρονα με την κλιματική αλλαγή, η συνεχιζόμενη αύξηση εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα έχει αποδειχθεί πως συμβάλει στην αύξηση της οξύτητας των ωκεανών, λόγω ακριβώς της διάλυσης και αποθήκευσής του σε αυτούς, θέτοντας σε κίνδυνο τη θαλάσσια ζωή του πλανήτη.
Το 1896 ο Svante Arrhenius ήταν ο πρώτος που προέβλεψε, στη δημοσιευμένη μελέτη του “On the influence of carbonic acid in the air upon the temperature of the ground”, πως η έκλυση διοξειδίου του άνθρακα λόγω της καύσης ορυκτών καυσίμων θα δημιουργούσε πλανητική υπερθέρμανση. Σήμερα έχει υπολογισθεί από το σύνολο των ανθρώπινων δραστηριοτήτων πως κατά την καύση των ορυκτών καυσίμων για παραγωγή ενέργειας παράγεται το 70-75% των εκλυόμενων ποσοτήτων διοξειδίου του άνθρακα. Το υπόλοιπο 20-25% του αυξημένου ρυθμού έκλυσης οφείλεται στην αποψίλωση των δασών και στις εκπομπές από τις εξατμίσεις των μεταφορικών μέσων. Το μεγαλύτερο μέρος των εκπομπών αυτών παράγεται στις ανεπτυγμένες χώρες (Ηνωμένες πολιτείες πρώτες και ακολουθούν οι Ευρωπαϊκές χώρες), αν και σήμερα αυξάνει ραγδαία η συνεισφορά και από τις αναπτυσσόμενες χώρες, με πρώτη την Κίνα. Κατά τον αιώνα που διανύουμε, με τους ρυθμούς ανάπτυξης που παρουσιάζονται, οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα αναμένεται να διπλασιαστούν, συνεισφέροντας ακόμα περισσότερο στην αύξηση της θερμοκρασίας και δημιουργώντας έτσι πληθώρα προβλημάτων (αύξηση της έντασης των καιρικών φαινομένων, εξαφάνιση ειδών, ελάττωση των διαθέσιμων ποσοτήτων πόσιμου νερού, ερημοποίηση, εξαφάνιση γεωγραφικών περιοχών, περιβαλλοντική μετανάστευση κα.).
Έτσι, μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις που αντιμετωπίζει η ανθρωπότητα τον 21ο αιώνα είναι η μείωση της εκλυόμενης ποσότητας του διοξειδίου του άνθρακα με στόχο την ελάττωση της επίδρασης των βιομηχανικών δραστηριοτήτων του ανθρώπου στο περιβάλλον, καθώς και τον περιορισμό του φαινομένου της κλιματικής αλλαγής αλλά και άλλων άμεσων περιβαλλοντικών προβλημάτων, όπως η ατμοσφαιρική ρύπανση από τα οξείδια του αζώτου. Οι στόχοι που έχουν τεθεί από τον οργανισμό ηνωμένων εθνών στα πλαίσια του συνεδρίου για τον περιορισμό της κλιματικής αλλαγής, για τη σταθεροποίηση των ανθρωπογενών εκλύσεων των αερίων του θερμοκηπίου, απαιτούν ουσιαστικά μεγάλη μείωση της εκλυόμενης ποσότητάς τους. Για το σκοπό αυτό, η τεχνολογία δέσμευσης και αποθήκευσης διοξειδίου του άνθρακα πρέπει να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με άλλες περιοριστικές δράσεις (για παράδειγμα την υιοθέτηση ανανεώσιμων καυσίμων, την αύξηση της ενεργειακής απόδοσης και τη χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας) ώστε να επιτευχθεί ο επιθυμητός στόχος ελάττωσης της εκλυόμενης ποσότητας των αερίων του θερμοκηπίου.Οι περισσότερες βιομηχανικές διεργασίες, καθώς και πολλές άλλες ανθρώπινες δραστηριότητες, απελευθερώνουν στην ατμόσφαιρα διοξείδιο του άνθρακα λόγω του ότι προϋποθέτουν ή συμπεριλαμβάνουν κάποια μονάδα παραγωγής ενέργειας, ή εμπεριέχουν κάποια άλλη μορφή οξείδωσης οργανικών υλικών. Σχεδόν το ένα τρίτο της έκλυσης του διοξειδίου του άνθρακα των ανθρώπινων δραστηριοτήτων προέρχεται από τα ορυκτά καύσιμα που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Κάθε εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας εκλύει ετησίων αρκετά εκατομμύρια τόνους διοξειδίου. Ταυτόχρονα, κι άλλες βιομηχανίες (διυλιστήρια, τσιμεντοποιείες και βιομηχανίες παραγωγής σίδηρου και ατσαλιού) εκπέμπουν μεγάλες ποσότητες του αερίου αυτού.
Υπάρχουν αρκετοί τρόποι ελάττωσης των εκλύσεων του διοξειδίου του άνθρακα, όπως για παράδειγμα η αύξηση της ενεργειακής απόδοσης των εργοστασίων παραγωγής ενέργειας καθώς και η χρήση φυσικού αερίου αντί των λιγνιτικών καυσίμων. Τα προβλεπτικά μοντέλα όμως υποδεικνύουν πως αυτές οι λύσεις από μόνες τους δεν μπορούν να επιτύχουν την απαιτούμενη ελάττωση σε εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα, ώστε να εκμηδενισθεί η ανθρωπογενής συνεισφορά στις κλιματικές μεταβολές. Ταυτόχρονη όμως υιοθέτηση διεργασιών δέσμευσης και αποθήκευσης του διοξειδίου θα μπορούσε να συμβάλει σημαντικά στην ελάττωση των ανθρωπογενών επιπτώσεων, χωρίς να απαιτεί ιδιαίτερες μεταβολές στις ήδη υπάρχουσες βιομηχανικές μονάδες. Οι υπόλοιπες πηγές εκπομπών, όπως οι μεταφορές και τα οικιακά κτίρια, δεν μπορούν να αντιμετωπισθούν με τον ίδιο τρόπο μιας και αποτελούν στην πράξη ένα μεγάλο πλήθος από μικρές σημειακές εστίες έκλυσης, με υψηλή διασπορά.
Τελικά, η παγκόσμια ενεργειακή οικονομία οφείλει να περιορισθεί στη χρήση μη ορυκτών πηγών ενέργειας, ώστε να εξασφαλίσει την διατήρηση του φυσικού κύκλου του άνθρακα. Η απανθρακοποίηση των αέριων εκπομπών μέσω της δέσμευσης και αποθήκευσης του διοξειδίου του άνθρακα, θα μπορούσε να συμβάλλει σημαντικά στη μετάβαση σε ένα ενεργειακό σύστημα απαλλαγμένο από τον ορυκτό άνθρακα. Ήδη, μεγάλο μέρος των χημικών και πετρελαϊκών βιομηχανιών χρησιμοποιεί διεργασίες για να δεσμεύει το εκλυόμενο διοξείδιο του άνθρακα. Ταυτόχρονα, αρκετές βιομηχανίες τροφίμων χρησιμοποιούν διοξείδιο του άνθρακα το οποίο δεσμεύεται από τις καμινάδες εκπομπών των εγκαταστάσεων παραγωγής ενέργειας. Με αυτόν τον τρόπο δεσμεύεται τελικά μόνο ένα μικρό ποσοστό εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου. Αν προσπαθούσαμε για παράδειγμα να δεσμεύσουμε το 75% των εκπομπών ενός σταθμού παραγωγής ενέργειας, με τα σημερινά δεδομένα θα απαιτούνταν εξοπλισμός δέκα φορές μεγαλύτερος σε όγκο και κόστος.
Ταυτόχρονα, ακόμα και αν δεσμεύαμε όλο το εκλυόμενο διοξείδιο του άνθρακα των ανθρώπινων δραστηριοτήτων, θα έπρεπε να βρούμε έναν τρόπο να το αποθηκεύσουμε για χιλιάδες χρόνια και με ασφαλή τρόπο, ώστε να μην καταλήξει τελικά κάποια στιγμή στην ατμόσφαιρα. Στο υπέδαφος και στους ωκεανούς έχουν ήδη ανακαλυφθεί πιθανοί αποθηκευτικοί χώροι ικανοποιητικού μεγέθους και γίνεται μεγάλη προσπάθεια να αναπτυχθούν μέθοδοι ικανές να εξασφαλίσουν την μακροχρόνια αποθήκευση του διοξειδίου σε αυτούς. Αυτή τη στιγμή η κύρια προτεραιότητα της ερευνητικής δραστηριότητας που αφορά στην ανάπτυξη των διεργασιών δέσμευσης του διοξειδίου είναι η ελάττωση του κόστους εφαρμογής τους, ενώ για τις διεργασίες αποθήκευσης την κύρια προτεραιότητα αποτελεί η εξασφάλιση της μακροχρόνιας, αξιόπιστης και ασφαλούς διατήρησης του αερίου στους αποθηκευτικούς χώρους. Η εξασφάλιση μηδαμινών απωλειών από αυτούς προς το περιβάλλον αποτελεί το μεγαλύτερο προς επίλυση πρόβλημα. Το γεγονός πως διοξείδιο του άνθρακα υπήρξε ούτως ή άλλως αποθηκευμένο σε κοιλότητες στη φύση, για μεγάλες γεωλογικές περιόδους, ενισχύει την αξιοπιστία αυτών των μεθόδων αποθήκευσης.
Ταυτόχρονα με την αποθήκευση σε φυσικές κοιλότητες ή σε ορυκτά υλικά, το διοξείδιο μπορεί να δεσμευθεί και να αποθηκευτεί μέσω της φωτοσύνθεσης των φυτικών οργανισμών. Τα φύκη είναι τα ταχύτερα αναπτυσσόμενα φυτά στον κόσμο μας. Όπως όλοι οι φυτικοί οργανισμοί, μέσω της φωτοσύνθεσης δεσμεύουν το ηλιακό φώς και το διοξείδιο του άνθρακα, παράγοντας υψηλής αξίας προϊόντα. Η ενέργεια αποθηκεύεται στο εσωτερικών των κυτταρικών σχηματισμών με την μορφή λιπιδίων και υδατανθράκων. Η παραγόμενη βιομάζα μπορεί εύκολα να μετασχηματιστεί σε καύσιμη αιθανόλη ή βιοντίζελ. Ταυτόχρονα, τα άλγη μπορούν να αποτελέσουν συστατικό ζωοτροφών, ή ακόμα και να χρησιμοποιηθούν ως φυσικά εδαφοβελτιωτικά, ελαττώνοντας την εξάρτηση της γεωργίας από τα χημικά λιπάσματα.
Έτσι, η δέσμευση σε φύκη του διοξειδίου του άνθρακα που παράγεται στις βιομηχανικές διαδικασίες παραγωγής ενέργειας, θα μπορούσε να συνεισφέρει και στο μεταβατικό στάδιο της αποδέσμευσης της ανθρωπότητας από τα ορυκτά καύσιμα, αφού θα μπορούσε να συνεισφέρει σημαντικά στην παραγωγή βιοκαυσίμων, αλλά και στην παραγωγή φυσικών εδαφοβελτιωτικών, μέσω των οποίων θα μπορούσε να περιορισθεί το φαινόμενο της ερημοποίησης χωρίς τη χρήση χημικών και βιομηχανικών λιπασμάτων.
Οι προαναφερθείσες δράσεις στοχεύουν, όπως αναφέρθηκε, στη σταθεροποίηση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα, ώστε να περιορισθούν στη σημερινή τους έκταση οι κλιματικές αλλαγές και να μην ενισχυθούν. Το όλο εγχείρημα όμως προϋποθέτει ταυτόχρονα και τη σταθεροποίηση της παραγωγής, αλλά και της ζήτησης ενέργειας, στα σημερινά επίπεδα. Η συνεχής όμως αύξηση των δύο τελευταίων μεγεθών, ώστε να καλυφθούν οι συνεχώς αυξανόμενες αναπτυξιακές ανάγκες της ανθρωπότητας, καθιστά στην πράξη αδύνατη την εφαρμογή του σχεδίου δέσμευσης του παραγόμενου διοξειδίου αλλά και μετατροπής της παγκόσμιας ενεργειακής οικονομίας σε μια οικονομία πλήρως απεξαρτημένη από ορυκτά καύσιμα και εξαρτώμενη μόνο από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας οι οποίες σέβονται τον κύκλο του άνθρακα και παρουσιάζουν μηδενική επίδραση στους «ρυθμούς λειτουργίας» του φυσικού περιβάλλοντος. Έτσι, η ανθρωπότητα θα μπορούσε να σταθεροποιήσει το περιβάλλον αν και μόνο αν, κατά τη μεταβατική περίοδο απεξάρτησης από ορυκτά καύσιμα, περιόριζε και την κατανάλωση ενέργειας στο ρυθμό που αυτή μπορεί να παραχθεί μέσω των ανανεώσιμων πηγών. Αξίζει να τονισθεί πως ως ανανεώσιμες πηγές δεν θεωρούνται μόνο όσες χρησιμοποιούν την ηλιακή ενέργεια και τις παράγωγες αυτής ενέργειες στη βιόσφαιρα (αιολική, θαλάσσια κύματα). Τα βιοκαύσιμα αποτελούν και αυτά ανανεώσιμη πηγή μιας και στην πράξη η παραγόμενη βιομάζα αποτελεί ουσιαστικά αποθήκη της ηλιακής ενέργειας και λόγω της συνεχής παραγωγής και αποσύνθεσης / καύσης της ως μέρος του κλειστού κύκλου του άνθρακα της βιόσφαιρας, δεν δημιουργεί ρυθμούς συσσώρευσης του διοξειδίου του άνθρακα και των άλλων συστατικών της στην τροπόσφαιρα του πλανήτη και συνεπώς τα αέρια της βιομάζας (ζωϊκής και φυτικής) δε συνεισφέρουν στη συσσώρευση και αύξηση της συγκέντρωσης των αερίων του θερμοκηπίου.Έτσι, πέραν της πρόκλησης ελάττωσης των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα, ώστε να σταθεροποιηθεί η συγκέντρωση του στην τροπόσφαιρα και να εκμηδενισθεί η ανθρωπογενής επίδραση στο περιβάλλον, η ανθρωπότητα βρίσκεται σήμερα μπροστά σε μια ακόμα μεγαλύτερη πρόκληση, την οποία μέχρι στιγμής δεν δείχνει να λαμβάνει υπ’ όψη της: Την ελάττωση της κατανάλωσης ενέργειας σε βιώσιμα επίπεδα, ώστε αυτή να μπορεί να υποστηριχθεί μέσω διεργασιών που σέβονται τους κύκλους της φύσης. Μόνο τότε μπορεί στην πράξη να εκμηδενισθεί η ανθρώπινη επίδραση στο περιβάλλον.
