▲ TEAM 'SAVE' (왼쪽부터) 하선교, 강우석, 구윤하

우리 대학 기계공학과 석박사통합과정 강우석(기계공학과 19), 구윤하(기계공학과 21), 하선교(기계공학과 22)가 꾸린 팀 ‘SAVE’가 올해 7월에 처음으로 개최된 ‘Ansys Simulation Challenge 2025’에서 대상을 받았다. 부상으로는 장학금 300만원, Ansys Korea 인턴십(3개월) 등이 제공됐다.

팀 ‘SAVE’는 '화력발전 암모니아 혼소를 위한 전산해석모델 개발 및 최적 연소방안 연구'에 Ansys 소프트웨어만의 기술을 활용하여 가산점을 받았다. 또한 연소와 오염물질 생성 반응을 하나의 모델에서 동시에 해석하는 높은 난도의 기술, 암모니아에 대한 일반적인 통념과 반대되는 창의적인 접근을 높게 평가받았다.

우수한 성과를 달성한 팀 SAVE 하선교 원우에게 대회 준비 과정과 연구 방향, 수상 소감을 물었다.

| 자기소개 부탁드립니다.

안녕하세요. 성균관대학교 기계공학부 류창국 교수님 연구실 소속의 Team SAVE입니다. 우리 팀 이름 SAVE는 Simulation-based Approach for Versatile Energy systems의 약자로, 다양한 에너지 시스템을 시뮬레이션 기반으로 분석하고, 지속 가능한 에너지 해법을 모색하겠다는 저희 연구 방향과 비전을 담았습니다.

| Ansys Simulation Challenge 2025에서 대상을 받은 소감을 말씀해 주세요.

공모전에 나오신 모든 분이 너무 뛰어난 역량을 가지고 계셔서 대상을 받을 거라고 생각을 못 했었는데, 수상하게 되어서 기분이 정말 좋았어요. 몇 년간 수행한 연구를 가지고 수상을 했는데, 연구 성과에 대한 인정을 받은 것 같아서 너무 좋았고, 앞으로도 열심히 더 잘하고 싶다는 생각이 들었습니다.

| '화력발전 암모니아 혼소를 위한 전산해석모델 개발 및 최적 연소방안 연구'에 대해 간단히 설명해 주세요.

최근 석탄화력발전에서의 탄소 배출을 줄이기 위해, 이산화탄소를 배출하지 않는 무탄소 연료인 암모니아를 기존 석탄의 대체 연료로 활용하려는 연구가 활발히 진행되고 있어요. 암모니아(NH₃)는 석탄과 비슷한 수준의 발열량을 가지고 있어서 기존 보일러의 구조를 크게 바꾸지 않고도 연소시킬 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만 암모니아는 분자 안에 질소(N)를 포함하고 있어서, 연소 과정에서 미세먼지의 원인이 되는 질소산화물(NOx)이 많이 발생할 수 있다는 단점도 함께 가지고 있어요. NOx는 환경 규제가 매우 엄격한 물질이기 때문에, 암모니아 혼소 시 NOx 배출을 어떻게 줄일 수 있을지, 또 열전달이나 연소 효율에 악영향을 주지 않도록 어떻게 연소 조건을 최적화할 수 있을지가 핵심 과제입니다.

우리 팀은 이 문제를 해결하기 위해, 먼저 암모니아의 연소 특성을 보다 정확하게 예측할 수 있는 암모니아 전역 반응 메커니즘(global reaction mechanism)을 새롭게 개발했습니다. 또한, 암모니아-석탄 혼소를 신뢰성 있게 해석할 수 있는 고급 해석 기법도 함께 구축하였습니다.

이 기법을 파일럿 스케일의 실험 연소로부터 실제 화력발전소에서 사용하는 다양한 보일러에까지 적용하여, 암모니아 혼소율, 연료 투입 위치, 연소 방식 등에 따른 변화를 시뮬레이션을 통해 정량적으로 분석했습니다. 결과적으로는, NOx를 효과적으로 줄이면서도 연소 성능을 유지할 수 있는 현실적인 혼소 조건을 도출할 수 있었고, 이를 통해 산업 적용 가능성이 높은 혼소 방안을 제시했어요.

| 연구에 있어서 각자 맡은 역할이 궁금합니다.

저희 연구는 크게 암모니아 전역 반응 메커니즘 개발, 보일러 종류에 따른 최적화 연구로 나눠지게 돼요. 이 중에서 메커니즘 개발과 파일럿 스케일 연소로에 대한 해석은 강우석 원우가 맡아서 해주었고, 구윤하 원우와 저는 각각 접선연소식 보일러, 대향류 보일러에 대한 최적화 연구를 수행했습니다.

| 최종 심사에서 기술적 난이도와 창의적인 해석 접근을 높이 평가받았는데, 특별히 의도한 부분이 있나요?

가장 신경 쓴 부분은, 실제 산업 현장에서 바로 적용할 수 있는 수준의 현실적인 시뮬레이션 모델을 만드는 것이었습니다. 보통은 연소와 오염물질 생성 반응을 따로따로 해석하는 경우가 많은데, 저희는 이 모든 요소를 하나의 통합된 모델 안에서 동시 해석할 수 있는 기법을 개발했어요. 이러한 방식은 기존에 존재하는 연구들에서 시도되지 않았던 새로운 접근법이었고, 그만큼 구현 과정에서도 기술적으로 도전적인 부분이 많았어요.

또 하나 강조하고 싶은 점은, NOx(질소산화물) 같은 오염물질이 생성되는 주요 반응 경로를 파악하고, 연소 조건을 적절히 설정하면 오히려 암모니아가 NOx를 줄이는 역할을 할 수 있다는 것을 수치상으로 보였다는 거예요. 일반적으로는 암모니아가 NOx를 증가시킬 거라는 인식이 강한데, 저희는 그 반대의 가능성을 실제 시뮬레이션을 통해 보여줬습니다.

무엇보다도, 단순히 "이론적으로 가능하다"라는 차원에 머물지 않고, 암모니아를 어떻게 투입하고 보일러 구조를 어떻게 바꾸면 실제로 효과가 있는지에 대한 구체적인 설계 조건까지 제시했다는 점이 저희 연구의 강점이자, 차별화된 포인트였다고 생각합니다.

| 평가 기준에 'Ansys 소프트웨어만의 독창적인 기술'을 사용하면 가산점이 적용되는 부분이 흥미롭게 느껴졌는데요. 이번 연구에는 어떤 기술이 접목되었나요?

이번 연구에서는 Ansys의 화학 반응 해석 프로그램인 ‘Chemkin’과 유동해석 프로그램인 ‘Fluent’를 주되게 활용하였습니다. 먼저 ‘Chemkin’을 이용해 보일러의 연소 조건에 맞는 암모니아 전역 반응 메커니즘을 만들었습니다. 이 모델은 연소 성능뿐만 아니라 NOx 배출 예측에도 중요한 역할을 했습니다.

이후 ‘Fluent’를 통해 보일러 내 유동, 온도, 연소 반응, 오염물질 생성을 통합적으로 해석하였습니다. Fluent 자체 기능만으로는 현실을 충분히 반영하기 어려운 부분이 있었기 때문에, 저희는 UDF(User-Defined Function)를 직접 개발·코딩하여 석탄과 암모니아의 연소, NOx 생성 및 환원 반응, 열전달, 그리고 보일러 내부의 유동 저항까지 세밀하게 구현했습니다. 덕분에 단순한 해석이 아니라 산업적 신뢰성을 가진 해석 모델로 발전시킬 수 있었습니다.

| 대회를 준비하면서 기억에 남는 에피소드가 있을까요?

가장 기억에 남는 일은 최종 발표 자료 제출 마감일을 착각했던 일이었어요. 저희는 마감일이 일주일 후인 줄 알고 여유를 부리다가, 전날 저녁에 갑자기 "내일이 마감일이다!"라는 걸 알게 됐죠. 결국 그날 저녁부터 밤새도록 팀원들과 회의를 하면서 발표 자료를 정리하고, 필요한 그림도 급하게 수정해서 겨우 제출할 수 있었습니다. 당시엔 정말 당황했지만, 돌이켜 보면 마감 직전에 집중해서 오히려 자료가 더 간결하고 임팩트 있게 정리됐던 것 같아요.

| 이번 대회를 통해 배운 점이나 느낀 점이 있다면 어떤 것일까요?

정말 다양한 분야에서 열심히 연구하는 연구자분들이 많다는 것을 새삼 느끼고, 더 열심히 해야겠다고 생각했습니다. 스스로는 늘 연구에 대한 자신감이 있었는데, 노력했던 결과가 수상으로 이어져 연구 성과를 인정받은 것 같아 너무 뿌듯하고 열심히 하면 생각지 못한 보상도 따라오는 것 같다고 생각했어요. 앞으로도 묵묵하게 저희 자리에서 열심히 연구를 수행해야겠다고 다짐하게 됐습니다.

| 마지막으로 관련 대회를 준비하는 성균인들에게 한 말씀 부탁드립니다.

연구 성과와 관련된 내용을 준비하는 공모전은 평소 본인의 연구에 대한 확신과 열정이 있다면 어떤 대회를 준비하더라도 좋은 경험이 되고 또 좋은 결과로 이어질 수 있는 것 같아요. 꾸준히 할 일에 충실하다면 결과는 따라오게 된다고 생각합니다. 또, 여러 대회에 주저하지 않고 나가보는 것이 중요한 것 같습니다.