허성민 연구실의 핵심 축은 화학공정과 에너지공정을 대상으로 한 공정시스템공학 기반의 모델링, 제어, 최적화 연구이다. 이 연구는 복잡한 공정을 수학적으로 표현하고, 다양한 운전 조건과 외란, 설계 변수의 상호작용을 정량적으로 이해하며, 최종적으로는 경제성·안정성·유연성·환경성을 동시에 고려한 최적 의사결정을 가능하게 하는 데 목적이 있다. 특히 공정 설계 단계와 운전 단계가 분리되어 다뤄지던 기존 접근을 넘어서, 구조 설계와 제어 구조를 통합적으로 고려하는 방향성이 두드러진다. 연구실은 공정 초구조, 그래프 이론, 대리모델, 베이지안 최적화, 확률론적 최적화와 같은 기법을 활용해 분리공정, 증류 네트워크, 막 공정, 피셔-트롭쉬 혼합물 분리, 결정화 공정 등 다양한 시스템을 분석한다. 또한 불확실성을 명시적으로 반영한 설계 방법론을 통해 원료 조성 변화, 수요 변동, 장치 성능 편차, 시장 조건 변화에 강건한 공정 운영전략을 제안한다. 최근 학회 발표 주제들에서 확인되듯이 유연한 분리공정 설계, 분산 제어 구조 설계, 컴퓨터 비전 기반 실시간 공정 분석 등 디지털 기반 공정 엔지니어링으로 연구 범위를 확장하고 있다. 이러한 연구는 산업 현장에서 요구되는 자율화, 스마트화, 저비용화와 직접 연결된다. 공정 설계 자동화와 제어 최적화가 정교해질수록 개발 기간을 줄이고, 시운전 실패 가능성을 낮추며, 에너지와 원료 사용량을 절감할 수 있다. 결과적으로 연구실의 공정시스템공학 연구는 지속가능한 화학산업 전환을 위한 방법론적 기반을 제공하며, 차세대 스마트 플랜트와 디지털 엔지니어링 인재 양성에도 중요한 역할을 한다.

연구실은 수소경제와 탄소중립 전환에 대응하기 위해 저탄소 수소생산 시스템과 재생에너지 연계 에너지 시스템의 설계 및 운영 최적화를 중점적으로 수행한다. 특히 분산형 저탄소 수소생산 연구센터 참여, 화학루핑 수소생산, 바이오매스 가스화, 저온 물분해, 재생전력-수소 공동 확장계획 연구 등은 연구실이 수소를 단일 생산기술이 아니라 통합 에너지 시스템의 일부로 보고 있음을 보여준다. 이는 전력과 수소의 동시 생산, 저장, 전환, 공급망 설계를 함께 고려하는 시스템 수준의 접근이다. 구체적으로는 마이크로그리드, 재생에너지, 에너지저장장치, 수소 생산설비를 하나의 최적화 문제로 통합하여 장기 투자와 단기 운영을 동시에 다루는 다기간·다시간스케일 확률론적 최적화가 주요 방법론으로 활용된다. 관련 논문에서는 불확실한 재생에너지 발전량과 시장 조건 하에서 그린수소 생산과 에너지관리 의사결정을 함께 최적화하였고, 학회 발표에서는 화학루핑 공정에서 수소-전력 생산의 상충관계 분석, 국제 수소 공급망 설계, 시나리오 기반 확장계획 등으로 연구가 확장되고 있다. 이러한 연구는 단순한 공정 성능 개선을 넘어 국가 단위 에너지 전환 전략과 산업 인프라 기획에 기여할 수 있다. 연구실의 저탄소 수소 연구는 에너지 시스템의 유연성 확보와 경제성 향상, 그리고 탄소배출 저감의 정량적 평가를 동시에 지향한다. 재생에너지의 간헐성과 원료 불확실성을 고려하면서도 안정적인 수소 공급과 전력 운영을 달성하는 것은 미래 에너지 시스템의 핵심 과제다. 따라서 이 연구는 공정공학, 에너지공학, 운영연구, 최적화 이론을 융합하여 실질적인 수소경제 구현 경로를 제시하는 데 중요한 의미를 가진다.

허성민 연구실은 공정 개발의 기술적 성능만이 아니라 실제 환경적·경제적 실용성까지 함께 검토하는 지속가능성 평가 연구를 활발히 수행하고 있다. 특히 CO2 포집-저장-활용 기술의 온실가스 감축량 평가, CCU 공정의 경제성 및 CO2 저감효과 분석, 글로벌 시장 동학을 반영한 CCU 산업 지속가능성 프레임워크 연구는 연구실의 대표적인 방향성을 보여준다. 이는 탄소중립 시대에 새로운 공정기술이 실제로 얼마나 감축 효과를 내는지, 어떤 조건에서 상용화 가능성이 높은지를 정량적으로 판단하기 위한 연구다. 방법론적으로는 공정 시뮬레이션, 기술경제성평가, 전과정평가, 시나리오 분석, 시장 동학 분석, 실용성 평가 프레임워크 구축이 결합된다. 단순히 실험실 수준의 수율이나 전환율만 보는 것이 아니라, 원료 공급, 에너지 가격, 탄소가격, 정책 조건, 글로벌 수요·공급 구조까지 고려하여 기술의 경쟁력을 평가한다. 관련 프로젝트에서 공정 데이터베이스 구축과 감축량 평가기술 개발이 수행되고 있으며, 이는 향후 CCUS 기술의 인증, 정책 지원, 투자 판단의 근거로 활용될 수 있는 기반 자료를 만든다는 점에서 중요하다. 이 연구의 의의는 저탄소 기술의 ‘가능성’을 넘어 ‘실행 가능성’을 판단하는 데 있다. 동일한 CO2 활용 기술이라도 시장 구조와 에너지원에 따라 감축 효과와 경제성이 크게 달라질 수 있기 때문에, 연구실은 불확실성을 포함한 통합 평가를 통해 보다 현실적인 기술 로드맵을 제안한다. 결과적으로 이러한 연구는 산업계와 정책 분야가 과학적 근거에 기반한 탄소감축 전략을 수립하도록 지원하며, 지속가능한 공정 개발을 위한 의사결정 체계를 고도화한다.