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Le biogaz peut se former naturellement ou sa production peut être assistée par l'ingéniosité humaine. Essentiellement, chaque fois que la matière organique est privée d'oxygène, des bactéries agissent sur elle en désintégrant sa composition. À la fin de cette chaîne de réactions, du méthane (CH₄), du CO₂ et quelques autres composés gazeux sont libérés. Ceux-ci constituent ce que nous appelons le biogaz. Le gaz opératoire à des fins énergétiques est le méthane. Lorsque les autres gaz sont présents de manière disproportionnée, ils inhibent la performance optimale du CH₄. Certains présentent même de graves menaces pour la santé publique. Le processus d'obtention de méthane à partir de matières organiques — par exemple, le fumier, le feuillage mort, les tontes de gazon, les cadavres d'animaux, les déchets alimentaires, les boues et les eaux usées — est appelé digestion anaérobie. Un digesteur anaérobie bien conçu peut manipuler les conditions de manière à ce que la production de biogaz soit accélérée et que le biogaz soit capturé pour une utilisation pratique.
Comme mentionné, le biogaz est principalement composé de méthane et de dioxyde de carbone. S'y ajoutent la vapeur d'eau, l'azote, l'oxygène, l'ammoniac et le sulfure d'hydrogène. Ces éléments et composés secondaires ne représentent généralement pas plus de 10 % du contenu du biogaz. Pourtant, ils n'ont pas besoin d'être fortement concentrés pour causer des problèmes ou des dommages. Beaucoup réduisent la valeur calorifique du biogaz, tandis que l'oxygène peut provoquer des explosions. Le sulfure d'hydrogène (H₂S) est à la fois toxique pour la santé humaine et destructeur pour les pipelines ainsi que pour les réservoirs de stockage. Par conséquent, le traitement du biogaz est impératif avant que cette énergie ne soit livrée au public.
La purification du biogaz peut prendre plusieurs formes. Le CO₂ et le H₂S sont plus solubles dans l'eau que le CH₄. Avant le contact, le biogaz est compressé sous pression. Le méthane, ou du moins la majeure partie, remonte à la surface de la solution où il est ensuite collecté (lavage à l'eau). Les gaz indésirables sont adsorbés par une cuve sous haute pression dans le cadre de l'adsorption modulée en pression (PSA) — cette technologie de purification du biogaz collecte le CH₄ au sommet, après quoi la pression est abaissée, libérant ainsi le CO₂, le N₂ et l'O₂ — imaginez un piège à mouches qui colle et décolle sur commande. Les solvants aminés font passer le biogaz à travers une colonne contenant des amines, c'est-à-dire des dérivés de l'ammoniac qui, en tant que solvants, capturent le CO₂ et l'absorbent. Après la séparation du CH₄ purifié, les solvants saturés en CO₂ sont purgés à la vapeur à haute température pour être réutilisés. La perméation membranaire exploite la faible perméabilité du méthane : dans des conditions de pression spécifiques, les gaz moins désirables traversent tandis que le méthane est retenu et collecté à l'extrémité d'une colonne cylindrique.
Les distributeurs de gaz et les régulateurs publics ont des spécifications différentes en ce qui concerne la pureté du biogaz qu'ils autorisent dans leurs pipelines. En réponse à ces disparités, l'American Biogas Council (ABC) publie des lignes directrices visant à uniformiser les normes. Par exemple, la valeur calorifique du biogaz en pipeline doit se situer entre 960 et 1 100 BTUs par pied cube. La teneur en CO₂ ne doit jamais dépasser deux pour cent molaire ; l'oxygène, 0,4 pour cent molaire ; les siloxanes, une partie par million ; et le sulfure d'hydrogène, pas plus de 0,25 gramme par 100 pieds cubes. L'ABC publie également des lignes directrices pour le biogaz utilisé dans les véhicules. Tant que les mesures de qualité ne sont pas standardisées, les opérateurs de systèmes de traitement du biogaz doivent être conscients des critères établis par l'acheteur.
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