2025년 에너지⋅환경기계 분야 연구동향

1. 서론

2025년도 에너지⋅환경기계 분야에는 논문 2편이 게재되었고, 하계 학술대회에서는 20편, 동계 학술대회에서는 22편의 논문이 발표되었다. 하계 학술대회에서 발표된 논문에는 일반세션으로 3편, 특별세션으로 물에너지(Water-Energy)는 6편, 물기술(Water-Tech)은 6편, 포스터세션에서는 5편이 발표되었으며, 동계 학술대회에서 발표된 논문에는 일반세션으로 5편, 조직세션의 물에너지(Water-Energy)는 6편, 물기술(Water-Tech)은 7편, 포스터세션에서는 4편이 발표되었다. 분야별로 분류하면 에너지 관련 연구가 16편, 환경기계 관련 연구가 28편이 발표되었다. 본 논문에서는 상기 논문의 연구내용을 간략히 살펴보고 연구 동향을 분석하고자 한다.

2. 에너지 분야 관련 연구

남현우 등⁽¹⁾은 글로벌 및 국내 수소경제 성장 추세에 따라 수전해 기반 그린 수소 생산과 경제성 향상을 위한 최적 운전조건 도출을 통하여 효율 향상 필요성을 언급하였으며 이를 위해, 알칼라인(Alkaline, ALK), 고분자전해질(Polymer Electrolyte Membrane, PEM) 수전해 Stack의 전기화학이론 기반 시뮬레이션 모델링과 신뢰성을 검증하였으며, 에너지 다소수 BOP (Compressor, Chiller) 추가를 통한 시스템 전체 해석을 확장하였다. Stack 해석 결과로 ALK, PEM 수전해 Stack은 전류 밀도 감소, 온도 증가, 압력이 감소할수록 Stack 효율이 증가하였다. 전류 밀도가 낮을수록 시스템 효율이 증가하나 단위 면적당 수소 생산량이 감소하였다. 시스템 해석 결과에서는 고압운전시(1 bar → 30 bar) ALK가 5.39 %, PEM이 7.70 %로서 kg당 소비전력 절감효과가 타나남을 도출하였다. 수전해 시스템 관점에서 고압운전이 유리하나, 국내의 경우 고압가스법에 의해 7∼8 bar 감압운전하여야 하며, 그린수소 경제성 향상을 위해서는 규제완화 등을 통해 수전해 고압운전의 필요성을 제시하였다. 김채현 등⁽²⁾은 광역상수도 펌프 일반 현황, 국내외 펌프 효율 산정 사례, K-water의 펌프 설계 효율 산정, 펌프 설계 효율 산정 모델 고도화 그리고 향후 계획에 대하여 소개하였다. 최종웅 등⁽³⁾은 9 MW 급의 남강 수력플랜트의 수차를 대상으로 CFD 해석을 수행하였다. 실물수차의 3차원 정밀 스캐닝으로 모델수차 형상을 구축하였으며, 캐비테이션 발생으로 인한 블레이드 손상을 방지하기 위한 러너 끝단의 Anti Cavitation Fin의 유무와 러너와 슈라우드 간격에 따른 효율변화 결과를 도출하였다. 이 결과를 모델수차 성능시험 효율결과와 비교하였으며, 최대 오차율 3% 이내의 결과를 도출하였다. 제갈훈 등⁽⁴⁾은 에너지 절감형 완폐식 체크밸브 개발 및 양상에 대하여 발표하였다. 서경원 등⁽⁵⁾은 석탄, 나무 등 탄소함유 물질을 원료로 고온에서 열처리하여 만든 입상형 활성탄의 국가비축기지 건립사업에 대하여 발표하였다. 랙 자동화 설비가 적용된 한강유역 비축창고 설비와 활성탄 입고, 출고, 운영 및 유지관리 대하여 소개하였다. 정재훈 등⁽⁶⁾은 BIM(Building Information Modeling)을 활용한 오수중계펌프장의 설계와 시공 개선에 대한 사례를 연구하였다. 기존 오수중계펌프장은 오수 이송 처리시설, 기계⋅전기⋅통신 등 다양한 시설이 밀집되어 시공 단계에서 빈번한 간섭과 설계 변경이 발생한다. 공사 수행의 완성도를 높이고 정확한 시공업무를 수행하기 위하여 BIM을 활용하였으며, 이를 통해 3차원 시각화, 간섭검토, 물량 산출 정확성을 확보하였다. 기대효과로서 설계⋅시공 간섭 사전 검토로 공사비 상승, 공기연장 리스크 최소화, 협잡물 운반, 침수방지 등 유지관리 고려 설계를 실현하고 준공 이후 시설 운영주체인 지자체 조기 인계 가능성을 제고 할 수 있음을 제시하였다.

정승훈 등⁽⁷⁾은 LSTM(Long Short-Term Memory) 모델 기반 산업용 냉동설비의 에너지 소비량을 예측하기 위하여 기초 모델로 소비전력 데이터만을 입력으로 활용한 다변량 모델을 구성하였다. 입력 변수 확장을 통해 전체 변수 집합을 반영한 다변량 모델과 상관관계 기반으로 주요 변수만을 반영한 다변량 모델과의 예측값을 비교하였다. 그 결과, 전체 입력 변수 대신 응축기 출구 냉각수 온도와 기상청 ASOS (Automated Synoptic Observing System) 환경 변수 데이터만을 활용한 경우에도 다변량 모델 대비 평균 절대비율 오차 기준 15.5 % 예측 성능 향상을 보이며 모델 복잡도를 낮추면서도 높은 예측 정확도를 확보할 수 있음을 확인하였다. 이창훈 등⁽⁸⁾은 냉동설비 데이터를 기반으로, 기상 정보와 설비 운전 데이터를 통합한 소비전력 예측 모델을 구축하였다. 냉동설비의 소비전력 예측을 위한 데이터 기반 접근으로서 RF (Random Forest), ET (Extra Trees), GB (Gradient Boosting), XGB (Extreme Gradient Boosting) 네 가지 앙상불 모델을 적용하여 예측결과를 비교⋅분석하였다. 간단한 설비가 요구되는 산업 현장에서는 응축기 출구 물 온도만을 활용한 XGB 기반 모델과 입구 냉매 온도까지 활용한 ET 기반 모델이 실효성 있는 대안이 될 수 있음을 확인하였다. 노승민⁽⁹⁾은 CFD기반 유동 가이드 적용을 통한 전기히터 열효율 개선에 대하여 소개하였으며, 유동 가이드의 설치는 공기 흐름을 고온의 발열관으로 효과적으로 유도하여 열교환 효율을 높이고, 동시에 배플 후면의 유동 정체를 해소하여 압력 손실을 저감시킨다. 이러한 결과는 히터의 열교환 효율을 개선함과 동시에 추가적인 압력 손실을 유발하지 않는 효과적인 설계임을 제시하였다.

김채현 등⁽¹⁰⁾은 데이터 기반 펌프 설비 최적 설계효율 산정모델 개발 연구를 수행하였으며, 국내외 펌프 효율 산정사례 펌프 설계 효율 고도화, 기대효과 및 향후 계획에 대하여 소개하였다. KS규격 및 고효율 인증 기준 효율을 충족하고 기존 보증효율 대비 높은 효율로 펌프 설계효율 산정모델을 제시하였다. 최윤창⁽¹¹⁾은 국가 R&D 수행과제 대규모 수열에너지 냉난방시스템 실증플랜트 기술 개발에 대하여 소개하였다. 허용 등⁽¹²⁾은 수도설비 저에너지 체계 개편 연구로서 첫 번째 수도시설 태양광 확대로 에너지 자립 향상과 유효낙차를 활용한 소수력 개발, 액화가스 냉열에너지 재순환 시스템을 통한 수도시설 융화형 재생에너지 확대와 두 번째 활성탄 재생시설 폐열 재순활 및 활용, 수처리 공정 고순도 산소 및 수소 포집 활용, 실시간 팽창률 측정 기반 역세수량 최적화를 통한 미활용에너지 자원 순환 활용 극대화 그리고 세 번째 하이브리드 ESS 도입, 전력 직접 구매제도 활용한 전기요금 절감을 통한 분산전원 및 정부 정책활용에 대하여 발표하였다. 이종걸⁽¹³⁾은 광역정수장 구내 정수관로를 활용한 수열 냉난방 시스템 파일롯플랜트 개발 및 실증, 안정성 검증 등 표준 모델화의 관로일체형 정수열원 수열냉난방 시스템에 대하여 소개하였다. 김지용⁽¹⁴⁾은 밀양 및 창녕계통 안정적인 용수공급을 위한 밀양댐 광역상수도 평촌 가압장 공급 안정과 효율화에 대하여 발표하였다. 송두호 등⁽¹⁵⁾은 침전지 하이브리드 슬러지 수집기 도입을 통한 배출수 처리 공정 효율개선 주제로 발표하였으며, 그 결과로 진공흡입식 슬러지 수집기 도입으로 슬러지 함수율 0.5 % 개선 및 배출량 62 % 저감으로 배출수 공정 처리 부하에 따른 배출수 공정 효율을 개선하였으며, 정수장 침전지 18지에 대한 설비 개선으로 연간 59백만원 생산 원가를 절감하였다. 정상규 등⁽¹⁶⁾은 수열시스템 실증플랜트 효율 향상을 위한 AI 적용에 대한 연구를 소개하였다.

3. 환경기계 분야 관련 연구

이도훈 등⁽¹⁷⁾은 비정상 측정 환경 조건에서의 DEIM (Discrete Empirical Interpolation Method) 센서 선택 기반 재구성 천연가스 배관망 상태 추정 기법 주제로 기존 DEIM 알고리즘을 천연가스 배관망 내의 압력 상태를 실시간으로 추정하고 복원하기 위한 데이터 기반 축소 모델 프레임워크를 제안하였다. 주요 구성 요소는 POD (Proper Orthogonal Decomposition)를 활용한 저차원 모드 추출, DMDc (Dynamic Mode Decomposition with control)를 기반으로 한 동적 시스템 모델링 그리고 DEIM을 이용한 센서 선택 후 상태 예측 구조가 포함되었다. 센서 기반 데이터만으로 활용한 모델 구성임에도 고차원 시스템의 공간 상태를 안정적으로 복원할 수 있음을 실증적으로 나타내었으며, 물리 기반 모델 없이도 구현 가능한 디지털 트윈 시스템의 가능성을 제시하였다. 전동순⁽¹⁸⁾은 증기식 히트펌프용 쉘-앤-튜브(가스 쿨러)형 열교환기의 최적 설계 인자와 해석 파라미터를 도출하기 위한 해석적 연구를 수행하였다. 열교환기 설계에 앞서 초임계 영역에서 작동하는 냉매 R 1336mzz(Z)의 열물성 특성을 분석하였으며, 그 결과 초임계 영역에서는 압력이 증가함에 따라 밀도와 점도는 증가하는 반면, 비열은 감소하는 경향이 나타났다. 열교환기의 목표 열전달량은 3,738 kW 로 설정하였으며, 압력강하는 쉘 측에서 50 kPa 이하, 튜브 측에서 100 kPa 이하가 되도록 정하였다. 쉘-앤-튜브형 열교환기의 주요 설계 인자로 튜브 길이, 외경 및 배열 간격 그리고 튜브 패스 수와 쉘 배플 수를 포함시켰다. 해석 결과 해당 조건을 만족하기 위해서는 약 1,503개의 튜브가 필요한 것으로 나타났으며, 가스 쿨러의 총괄 열전달계수는 약 1,347 kW/m² ℃ 로 계산되었다. 이와 같이 목표 성능을 만족하는 설계 인자 및 해석 파라미터를 도출하였으며, 표준 조건 대비 총괄 열전달계수가 약 100 % 향상된 쉘-앤-튜브형 열교환기 설계안을 제시하였다.

허용 등⁽¹⁹⁾은 광역정수장에 점검 로봇을 도입하여 시설⋅설비점검, 진단, 정수장 안전관리 등 주기적이고 위험요소가 있는 운영관리의 보조역할에 대하여 연구하였다. 이 결과를 바탕으로 시범사업 및 성과 검증 후 전 정수장 단계별 확대 추진계획에 대하여 발표하였다. 한화영 등⁽²⁰⁾은 정수장 Silo 반출시스템 도입으로 배출수 처리시설 고도화를 통한 공업⋅생활 용수생산의 공정 안정화와 유지보수 비용 저감에 대한 종합개선에 대하여 소개하였다. 탈수 슬러지 주간 반출, 야간 Silo 저장으로 야간 근로자 불필요에 따른 인건비용 저감과 Silo 반출 시스템 자동화 구축으로 배출수 처리시설 무인화 운영에 따른 업무효율 향상, 고농축 슬러지 감소로 설비 과부하 방지와 응집제 사용량 감소를 통한 비용 저감에 대하여 발표하였다. 배출수 처리시설의 AI 도입으로 공정 예측과 운영 안정성 강화 및 작업자 안전사고 사전 예방의 향후 방향에 대하여 소개하였다.

유민수 등⁽²¹⁾은 총인 및 질소제거에 취약한 기존 시설의 유입유량 변동 안정적 대응이 가능한 공법을 적용한 증설시설의 이종 공정 하수처리장 운영 최적화를 연구하였다. 최적 운영을 위하여 K-water 연구원에서 개발을 완료한 스마트 하수도 운영시스템(OUR-N)을 적용하여 증설 시설의 운전 효율을 극대화하였다. 그 결과로서 기존 대비 32 %의 에너지 절감, 시퀀스 변경을 통하여 처리 유량 44 % 증가 그리고 포기장치 가동시간 감소에 따른 연간전력비 7.7백만 원 절감 효과를 도출하였다. 문현석 등⁽²²⁾은 유체커플링 열교환기 최적 유지관리 방안 연구에 대하여 발표하였다. 오봉근 등⁽²³⁾은 AI활용 펌프모터 이상탐지 기술 개발 연구에서 예방정비시스템(Preventive Maintenance System, PMS) 고도화에 머신 러닝 알고리즘 중 하나로 정상 데이터를 학습하여 정상 데이터 패턴에서 벗어난 이상을 판정하는 알고리즘인 Anomaly Detection 모델을 적용하였다. 권상열 등⁽²⁴⁾은 영⋅섬유역 청정 수열에너지 추진 현황과 신규 적지 발굴 개선 방안에 대하여 소개하였다.

이호채 등⁽²⁵⁾은 평균장 이론을 이용하여 상온 부근에서 작동하는 La(FeMnSi) 및 가돌리늄 기반 자기 열량물질의 열역학적 특성을 모델링하고, 이를 기반으로 능동자기재생기의 성능을 예측하는 일차원 수치 시뮬레이션 모델을 구축하였다. 실험 결과와의 비교를 통해 모델의 타당성을 확인하였으며, 시스템 효율성 최적화와 실제 적용을 위한 효과적인 도구를 제시하였다. 민지원 등⁽²⁶⁾은 IEA 22 MW 및 15 MW 시스템을 기반으로 스케일링 기법을 활용하여, 20 MW 급 초대용량 풍력발전시스템의 공력-구조 통합 설계 및 통합 하중 해석을 수행하였다. 블레이드 팁과 타워 간의 최소 간격은 로터 직경 대비 1∼2 % 이상을 확보하여 구조적 간섭 없이 시스템의 안전 운전이 가능함을 검증하였다. 조종재 등⁽²⁷⁾은 반도체 공정용 자연냉매 초저온 칠러 터보-팽창기 설계 및 개발에 대하여 발표하였다.

이정길⁽²⁸⁾은 Low GWP 냉매 기반 히트펌프 복합 다단 진공 막 증류 해수담수화 시스템을 제안하고 설계 및 수치해석적 성능평가를 수행하였다. 수치해석 연구를 통해 시스템에 적용된 히트펌프의 냉열 및 온열 COP (Coefficient of Performance) 7.309와 6.309를 도출하였다. 이정길 등⁽²⁹⁾은 산업 공정에 적용되는 건조 공정의 에너지 소비 절감 및 탄소 배출 저감을 목적으로 건조 효율을 극대화한 지구 온난화 지수(GWP) 냉매 기반 히트펌프 건조기를 설계 및 제작하여 성능을 평가하였다.

정성엽⁽³⁰⁾은 머신비전을 이용한 응집상태 이상 탐지 장치 개발의 내용으로 머신비전 기술 적용에 따른 수질사고 예방, 데이터 기반 의사결정, 정수장 최적 운영으로 약품량 결정, 운영법을 표준화하여 안정적 운영, 최적의 약품량 산출을 통한 약품비 절감으로 수도 원가 개선에 대하여 발표하였다. 유민수 등⁽³¹⁾은 가동시간과 용량이 상이한 두 개의 공정(기존, 증설)을 이용한 방류수질 확보를 위한 안정적 운전에 부합하는 안정적, 경제적, 효율적인 운영을 위한 최적 운전방법을 제시하였다. 오솔빈 등⁽³²⁾은 일반 정수처리 공정으로는 완전히 제거가 불가한 수돗물의 맛냄새 유발물질, 미량유기 오염물질, 암모니아성 질소, 내염소성 병원성 미생물 등을 제거하여 사용자 만족도 향상이 필요하며, 그 중 오존은 강력한 산화력으로 유기물 산화, 맛⋅냄새 유발물질, 철⋅망간 및 기타 미량 유기물질 불활성화 및 제거를 위하여 오존소독을 적용한다. 이러한 오존사용 후 잔류 오존은 많은 환경적 영향을 끼친다. 사용 후 오존의 저감을 위한 오존 설비 최적 설계를 통하여 고도시설 건설 품질 강화에 대하여 소개하였다. 정재훈 등⁽³³⁾은 거북섬 수문 취약요소 분석 및 최적 대안 도출 연구로서 수중 유압식 가동보의 운영과정에서 확인된 기계적 (부식, 유화, 씰마모) 및 수리적(조위, 통수) 위약요소를 분석하고 수문 형식을 비교하였으며, 해수 온입에 따른 전도 저하, 극성 증가로 인한 씰 마모 증가, 실린더 수중위치에 따른 부식 및 누유 위험, 조위차로 인한 폐문 가능성의 취약 요소를 검토하였다. 구조, 구동력, 전력, 통수능, 시공성, 유지관리성을 종합평가하여 최적안으로 상하개폐형 수문을 제시하였다. 노영서 등⁽³⁴⁾은 이사천 취수장의 환풍설비 환기량 부족으로 펌프장 환경 온도상승에 대한 환기 설비 개선 사례를 주제로 발표하였다. 김성민⁽³⁵⁾은 CFD를 활용한 자연증발식 급기방식을 적용한 펌프동 환기시스템 개선 연구를 수행하였으며, 그 결과로 펌프장 평균 온도 6도 저하에 따라 작업능률 상승, 설비 효율 증가, 근로자 안전확보 효과를 제시하였다. 황현민 등⁽³⁶⁾은 수력발전소 관로 내부에서 압력 분포 및 유량 계산과 디지털 트윈으로 실시간 데이터를 통해 발전소의 성능과 안정성⋅정비 소요예측, 신규 수력발전기 기본 설계 시 관로 및 러너 형상 제안을 위한 머신러닝과 발전 운영데이터를 활용한 프란시스 수차 모델 최적화 연구를 수행하였다.

김윤섭 등⁽³⁷⁾은 복수 대리모델 기반 ORC 터빈 최적화 주제로 100 kW급 ORC 터빈 1단에 RBNN(Radial Basis Neural Network), Kriging, RSA(Response Surface Approxmatiion), PBA(Preference-Based Aggregation)를 대리모델로 사용하여 형상조건을 설계변수로 등엔트로피 전효율을 목적함수로 설정하여 각 모델에 따른 설계 최적화의 유효성을 검증하였다. 그 결과로 대리모델에 관계없이 약 0.9∼1.0%의 효율 개선 효과가 나타남을 제시하였으며, RBNN 모델이 다른 모델에 비해 유효성이 떨어지는 결과를 제시하였다. 응웬반호앙 등⁽³⁸⁾은 LES 해석을 통한 파도 전파 각도가 해상풍력발전 단지 내 와류 구조에 미치는 영향을 분석하였다. 이대희 등⁽³⁹⁾은 LSTM(Long Short-Term Momory), MCNN(Mutil-scale Convolutional Neural Network) 인공지능 모델의 최적 R² 자동 탐색을 위한 고압 분산기 데이터의 고장진단 정확도 향상 연구에 대하여 발표하였다. MPF 특징과 R² 중심 자동 탐색을 결합의 최적 조합은 분산기 노즐 압력의 고장진단 예측에서 LSTM:MCNN 성능을 간결하고 제현 가능하게 향상시킴을 제시하였다. 김준겸 등⁽⁴⁰⁾은 표면 거칠기와 난류모델에 따른 블레이드 공력 특성에 대한 수치해석적 연구를 수행하였다. 박성혁 등⁽⁴¹⁾은 핵융합로 중식블랑켓 충돌면의 형상 변화에 따른 열유동 특성에 대하여 연구하였으며, 형상 변수인 dmplie과 protrusion을 적용하였을 때 기본적인 평판 충돌판과 열유동 특성 및 효율을 비교하였다. Dimple을 적용한 충돌판의 경우 충돌판에서의 열전달 성능은 저하되었으나 유동 손실은 일부 개선되었으며, protrusion을 적용한 경우 노즐 출구와 충동판의 거리가 감소하는 영향과 복잡한 난류 유동 발생으로 인해 충돌판에서의 열전달 성능이 상승하여 dmplie 적용보다 TPF(Thermal Performanc Factor)가 약 16% 향상함을 제시하였다.

최진욱 등⁽⁴²⁾은 열원 120℃의 산업 폐열을 활용한 발전시스템 개발을 위해 유기 랭킨 사이클의 열역학적 설계를 수행하였다. GWP가 10 이하인 제 4세대 냉매 중에서 R 1233zd(E)를 작동 유체로 하였으며, 터빈의 건식 팽창 조건을 고려하여 최적 설계점을 도출하였다. 터빈 팽창비 6.80에서 질량 유량 1.679 kg/s, 순출력 535 kW, 사이클 열효율 12.66%를 갖는 중저온 ORC 발전시스템 설계에 대하여 발표하였다. 전동순⁽⁴³⁾은 180℃ 스팀을 생산할 수 있는 고온용 히트펌프 냉매 군에 대한 검토를 수행하고 적절한 냉매를 제안하였다. 박종휘 등⁽⁴⁴⁾은 생성 이력 제어를 통한 MgO 환원 반응성 향상 연구로서 용융 금속 기반 CH₄ 건식 개질 화학적 순환 공정 최적화에 대하여 발표하였다. 메탄건식 개질을 위한 용융 금속 기반의 화학적 순환 공정에서 산소 셔틀의 생성 이력이 전체 공정 효율을 결정하는 핵심 설계 인자임을 규명하였다.

4. 결론

2025년 한국유체기계학회 하계⋅동계 학술대회에 발표된 논문을 중심으로 연구동향을 간단히 정리하였다. 총 44편의 논문이 발표되었으며, 에너지 분야에서는 수열에너지, 수력 에너지, 수소에너지에 대한 연구와 에너지를 절감할 수 있는 기술 등의 발표가 활발하게 진행되었다. 환경기계 분야에서 정수장 AI 적용, 소독 설비, 펌프, 전동기 등 다양한 주제로 실험적 방법과 수치적 방법을 통한 연구가 진행되었다. 앞으로도 해당 분야에서 다양한 주제가 제기될 것이고 이에 대한 활발한 연구가 진행될 것으로 예상된다.

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