在過去的幾十年中，化石燃料已為工業過程以及日常使用的主要能源。目前全球對石油和天然氣的需求不斷上升，導致全球能源和環境問題的危機日益嚴重。因此，減少排放溫室氣體的另一個解決方案是利用生物天然氣 (bio-natural gas) 替代化石燃料。其中沼氣是一種技術成熟的再生能源，主要成分為甲烷 (60%) 和二氧化碳 (40%)，透過「去除二氧化碳」與「利用二氧化碳」兩種技術可將沼氣轉化生物甲烷進行生質能發電，能充分利用資源、減少二氧化碳的排放，以下概述其兩種技術的特性並探討其困境與未來發展。

一、去除沼氣中的二氧化碳 (如表1)

將沼氣轉換成生物甲烷需要去除不需要的成分，例如二氧化碳和硫化氫 (H₂S)，主要技術有以下兩種：

(一) 吸附 (sorption)

1.物理洗滌 (physical scrubbing)
由於二氧化碳比甲烷更容易被液體吸附，因此將沼氣導入的充滿水或聚乙二醇 (polyethylene glycol, PEG) 的液體柱，透過液體吸附沼氣中的二氧化碳，進而生成生物甲烷。
優點：反應過程簡單，損耗的甲烷量低 (<4%)且生成的生物甲烷純度高 (96-98%)、操作過程容易、設備維護費用低。
缺點：反應過程需要大量的水、可能造成生物汙染 (biological contamination) 、需要額外的熱能及耗能。

2.化學洗滌 (chemical scrubbing)
由於二氧化碳化學反應比甲烷更活潑的特性，因此先將沼氣與硫化氫分離後，導入乙醇胺 (mono ethanol amine, MEA) 或二甲基乙醇胺 (dimethyl ethanol amine, DEMA) 的化學溶液，經溶液與沼氣進行反應後，再利用高溫蒸氣使二氧化碳釋出，並生成高純度的生物甲烷。
優點：反應速度較物理洗滌快、相較物理洗滌能吸附更多二氧化碳、反應過程中損耗的甲烷量非常低 (<1%)、生成的生物甲烷純度非常高 (>99%)。
缺點：需耗能產生高溫蒸汽、需前置作業分離硫化氫、反應後的化學溶液可能造成環境汙染。

3.變壓吸附 (pressure swing adsorption, PSA)
利用沼氣中各成分對吸附劑 (PSA常用的吸附劑為碳與沸石) 的吸附能力差異而產生的吸附選擇性去除二氧化碳，並透過吸附、減壓、脫附、加壓等4個步驟生成高濃度生物甲烷。
優點：操作過程需要投入的能量低、反應損耗的甲烷量低 (<4%) 且生成的生物甲烷純度高 (96-98%)。
缺點：操作程序較複雜、需前置作業分離硫化氫。

(二) 分離 (separation)

1.薄膜分離 (membrane separation)
利用沼氣中組成成分滲透率不同的特性，以有機聚合物 (organic polymer)，如：聚酰亞胺 (polyimide, PI)、醋酸纖維素 (cellulose acetate, CA)；或非聚合物 (non-polymer)，如：沸石 (zeolite)、活性碳 (activated carbon)、二氧化矽 (silica) 等，作為薄膜分離沼氣中的二氧化碳，生成生物甲烷。此外，薄膜分離技術可再分成氣體－氣體 (gas-gas) 的亁式分離與氣體－液體 (gas-liquid) 的濕式分離兩種方式。
優點：反應過程簡單、所需消耗的能量低、反應過程損耗的甲烷量非常低 (<1%)、成本低、不易造成環境汙染。
缺點：可作為薄膜的材料選擇性少、需前置作業分離硫化氫 (H₂S)、生成的生物甲烷純度低 (92-96%)。

2.低溫分離 (cryogenic separation)
利用沼氣中不同氣體具有相異的凝結條件，藉由控制反應過程中的壓力與溫度，分離沼氣中的二氧化碳，最後生成液態天然氣 (liquefied natural gas, LNG)或再冷卻生成液態生物甲烷 (liquid biomethane, LBM)。
優點：所生成的液態天然氣甲烷純度高 (97-98%)、反應過程中損耗的甲烷量低 (<2%)、不易造成環境汙染。
缺點：分離過程中需大量能量控制壓力與溫度 (-25-+110°C)、運作與維護設備的成本高昂、需要前置作業、技術尚在發展階段。

二、利用沼氣中的二氧化碳

利用沼氣中的二氧化碳，透過化學反應途徑 (chemical processes) 或生物反應途徑 (biological processes) 將二氧化碳轉換成較具經濟效益的產品，取代因低品質燃料導致更高污染的問題，如表2。

(一) 化學反應途徑
以二氧化碳與氫氣為原料，加入催化劑，合成甲烷或甲醇，例如：鎳 (Ni) 催化反應，進而合成甲烷氣體。目前適合的催化劑材料仍在持續發展中。
優點：反應過程單純、二氧化碳轉換率高。
缺點：需要投入大量能量，而且反應過程需要加入化學催化劑，導致產生其他污染物，如一氧化碳。

(二) 生物反應途徑
厭氧消化 (anaerobic digestion) 指的是沼氣中的微生物在缺乏氧氣的狀態下，經由細菌與有機物的反應與分解，最後產生甲烷的過程，此種厭氧消化過程可分成酸化期 (acidification phase) 和甲烷發酵期 (methane fermentation phase) 兩個階段。而氫氣是厭氧消化反應過程中的關鍵因素，額外添加氫氣可使反應產生甲烷菌 (methanogens) 促進氫氣和二氧化碳生成甲烷，但在兩階段時，氫氣濃度過高時會抑制氫氣和二氧化碳生成乙酸，影響最終甲烷生成。
優點：發酵過程中微生物所需要之營養成分少、不易對環境造成汙染。
缺點：產生甲烷菌須在嚴格的厭氧環境下才能生長且生長緩慢、反應速度容易受溫度影響、反應時間長。

三、技術困境與未來發展

(一) 困境：
1.效率低：目前將沼氣轉換為生物甲烷使用氫氣時，效率僅為 60%，如果將產生的生物甲烷用於發電，效率則下降到 36%。
2.成本高：目前利用沼氣轉換成生物甲烷、生物甲醇等原料，其生產成本遠高過利用化石燃料。根據 2017 年 Zhang et al. 的研究，假設產量為 5*10⁶ 公斤/日，生產生物甲醇所需投入的總成本為 8.27 億~10.36 億美元，利用化石燃料生產總成本僅需 4.8 億美元。

(二) 未來發展：
1.改善化學反應途徑中的催化劑
目前研究階段的替代催化劑包括 2019 年美國國家科學院工程與醫學研究院氣態碳廢物流利用報告 (National Academies of Sciences Engineering and Medicine Gaseous Carbon Waste Streams Utilization, 2019) 所提的釕 (ruthenium)，2014 年 Manthiram, K. et al.提出的氮碳混合物 (N-doped carbon)、2016 年 Sun, X. et al. 提出的碳銅 (copper-on-carbon)、2017 年 Qiu, Y.-L. et al.提出的銅 (copper)。
2.全混合式厭氧消化槽技術 (continuous stirred tank reactor, CSTR)
連續攪拌反應器系統，或稱全混合厭氧反應器 (continuous stirred tank reactor) ，簡稱 CSTR，是一種使發酵原料和微生物處於完全混合狀態的厭氧處理技術。在厭氧消化反應的中溫消化器 (mesophilic digester)、高溫消化器 (thermophilic digester) 中注入高濃度的氫氣以提高生物甲烷的轉換效率。
3.新的二氧化碳轉化技術
目前轉換沼氣的技術中「去除二氧化碳」已屬成熟的技術，但「利用二氧化碳」的技術仍在發展中，後者的生物反應途徑已有新興的技術，就是利用琥珀酸放線桿菌 (actinobacillus succinogenes) 發酵沼氣中的二氧化碳，生產高純度甲烷 (95%) 和生物琥珀酸。2017 年 Mazière et al. 的分析結果也顯示，此生物反應比使用化石燃料生產更具成本效益，惟該技術仍處於實驗階段，尚未有穩定、可大量複製的生產流程。