將沼氣轉換成生物甲烷可分成「去除二氧化碳」與「利用二氧化碳」兩種技術，「去除二氧化碳」技術發展成熟但成本較化石燃料高；「利用二氧化碳」則出現更具成本效益的創新技術，目前處於實驗階段。

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可再生能源，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
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((physical 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(H₂S)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(H₂S)、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(H₂S)

(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。

(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CH4（methane）或甲醇CH3OH(methanol)，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CO。

(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H2是厭氧消化反應過程中的關鍵因素，額外添加H2可使反應產生甲烷菌(methanogens)促進氫氣H2和二氧化碳CO2生成甲烷，但在兩階段時，H2濃度過高時會抑制氫氣H2和二氧化碳CO2生成乙酸CH3COOH，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、技術上的困境與未來發展
(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. al.提出的氮碳混合物(N-doped carbon)、2016年Sun, X. al.提出的碳銅(copper-on-carbon)、2017年Qiu, Y.-L. 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。