AI에 부응한 전력공급

전력망 확충이 중요

황재화 기자 | 기사입력 2024/05/24 [11:03]

AI에 부응한 전력공급

전력망 확충이 중요

황재화 기자 | 입력 : 2024/05/24 [11:03]

AI 데이터센터는 기존 데이터센터에 비해 전력을 6배 더 소비 하는것으로 조사되었다.

 

세계는 인터넷 클라우드 컴퓨팅 시대를 넘어 인공지능 AI 혁명 시대를 관통하고 있다. 최근 데 이터 저장 및 연결을 넘어 컴퓨터가 자료를 학습하 고, 인간의 언어로 대화하여, 인간이 원하는 정보 를 스스로 생성해 내는 생성형 인공지능 AI이 등장하였다. 이는 데이터센터의 기능이 정보 저장에 서 정보 생성으로 확대된다는 것을 의미한다. 국제에너지기구 IEA는 데이터센터 AI 가상화 폐 관련 산업의 전기소비량은 2026년까지 2022 년의 2배가 될 것으로 추산하였는데, 국내 데이 터센터도 이러한 추세의 예외는 아닐 것이다. 데이터센터 사업자는 통신비용과 전기요금이 적고 신뢰도 높은 전기공급이 가능한 국가와 지역 에 입지하려 한다. 그러나 수요지 근처의 토지와 전기설비가 상당 부분 다른 건물로 포화되어 있어 도시에 데이터센터를 설치하기가 쉽지 않다. 데이 터센터의 지역 경제 기여도가 크지 않고, 데이터센 터를 위한 발전소송변전소 건설로 사회적 갈등 IEA, Electricity 2024 Analysis and forecast to 2026. 2024. 이 촉발될 수도 있다. 이러한 장애요인에도 불구하 고 AI 혁명은 현재 진행 중이고 이 과정에서 데이 터센터의 확충은 필연적이다. AI 관련 데이터센터 설치운영을 위해서는 기 존 데이터센터보다 많은 전력이 필요하다. 이에 AI발 發 전력 수요 증가는 우리에게 새로운 도전 과제를 제시하고 있다. 첫째, 데이터센터가 요청 대로 전기를 공급해 주어야 하는지 둘째, 적정 전 원구성은 무엇인지 셋째, 미흡한 송배전망을 어떻 게 확충할 것인지에 대한 해답을 찾아야 할 것이다.

데이터센터 규모는 랙 rack 단위로 측정한다. 씨피유CPU 또는 지피유GPU 같은 반도체와 회로가 있는 기판mother board으로 서버를 만 들고, 서버가 탑재된 함 랙이 서버랙이다. 서버랙 10만 대를 수용하면서 면적이 약 37,161㎡ 이상 인 데이터센터를 하이퍼스케일 hyperscale 데이 터센터라고 한다. 서버랙의 수에 따라 메가 mega: 9001~10만 대 미만, 매시브massive; 3,001~9,000대, 라지 large: 801~3000대 등 으로 데이터센터를 분류한다. 데이터센터가 제공하는 서비스에 따라 엔터프 라이즈 enterprise, 온프레미스 on-premise, 로코케이션 lococation 등으로 분류한다. 이중 온프레미스와 로코케이션은 데이터센터 사업자로 부터 건물 공간 또는 장비를 임대하는 방식을 말한 다. 최근 온프레미스나 로코케이션을 대상으로 데 이터센터 공간을 임대하기 위하여 하이퍼스케일 규모의 데이터센터 건설 요청이 증가하고 있다. 데 이터센터 수요를 견인하는 것은 임대형 데이터센 터 개발과 관련이 깊다. 인터넷 기반 데이터센터의 전력 밀도 power density는 랙당 4~6kW, CSP Client Service Provider 용 하이퍼스케일은 랙당 10~14kW, AI 용은 랙당 20~40kW, 그리고 최신 하이퍼스케일 은 랙당 60kW 이상 용량을 요구하고 있다. 전력 밀도가 크면 클수록 이를 냉각하는 데 소요되는 전 기 소비도 비례하여 증가하는데, 최근 AI 데이터 센터가 CSP의 6배의 전력 power을 소비한다. 국내 데이터센터의 평균 전력 밀도는 랙당 약 4.8kW이고, AI 데이터센터의 경우에는 15kW에 육박한다고 한다. AI용 서버랙 1,000대만 있어 도 15MW의 발전 용량이 필요하다. ’23년 12월 말 기준으로 국내에는 150개의 데 이터센터가 있다. 용량은 1,986MW로 1,000MW 급 원자력 발전소 2기 이상의 전력을 소비한다. ’23년까지 국내 데이터센터 평균 수전용량은 13.2MW이다. 경기도의 평균 계약 전력이 호당 20MW로 규모 면에서 가장 크다. 산업통상자원부가 발표한 자료에 따르면 ’29 년까지 신규 데이터센터 수요는 732개이며 소요 전력 용량은 49,397MW이다. 이 용량은 지금까 지의 최대전력 94,509MW ’22.12.23. 의 52% 수준이다. 다만 한국전력공사의 조사에 따르면 상 당수 67%가 부동산 개발을 선점하기 위하여 우 선 전력 용량을 신청한 것으로 조사되었는데 실제 수요는 이보다 적어질 것으로 보인다. 그럼에도 불 구하고 향후 AI 데이터센터의 설치가 전력 생산과 전력망 운용에 부담으로 작용할 것은 분명하다. 국내 민간 데이터센터 가동 상황을 알 수 있는 사업자의 ’22년 지속가능경영보고서를 보면 40MW의 수전용량을 가진 데이터센터의 1년 전 기 사용량은 388GWh이다. 

정격 용량을 100% 사용하였다면 이 데이터센터는 360 GWh를 사용할 수 있으므로 이 데이터센터는 24시간 내내 100% 수준으로 가동하였음을 알 수 있다. ’29년까지 건설을 요청한 데이터센터의 개당 정 격 용량이 평균 67.5MW이고 총 49,397MW의 용량을 요구하고 있다. 데이터센터가 요청한 대로 지어진다면 1000MW 1GW급 발전기를 53기 소 내 소비 및 손실 7% 고려를 추가 건설해야 한다. 송변소와 배전단 변압기도 증설해야 한다. ’22 년 전국의 배전단 변압기 용량은 139,265 MVA 메가볼트암페어이고, 수도권 용량은 46,472MVA이다. 과거 3년 동안 배전단 변압기 용량은 전국 최대 전력의 약 1.47배 내외를 보인다. 이를 기준으로 하여 ’29년까지의 신규 데이터센터 전력수요 49,397MW를 공급하기 위한 배전단 변압기 용량 을 추정하면 약 77,168 MVA이다. 이는 현재 설치 된 용량의 55.4% 규모이다. 수도권 지역에만 62,177 MVA를 설치해야 하는데 ’22년 현재 수도 권 배전단 변압기 용량은 46,472 MVA로 신규 수 요 용량은 현재 설치된 용량의 1.34배에 이른다. 변압기 용량의 획기적 증설 없이 이렇게 많은 데 이터센터의 건설 운영은 불가능하다. 데이터센터의 정보통신 장비의 에너지 소비량 에 대한 총 에너지 소비량의 비를 PUE Power Usage Effectiveness라 한다. PUE가 ‘1’에 근접 할수록 효율이 높다는 것을 의미한다. 국내 민간 데이터센터의 PUE는 2.03, 공공 데이터센터는 3.13, 그리고 이중 그린데이터센터로 인증받은 곳 의 평균은 1.66이다. 해외 데이터센터 PUE 평균 은 1.7이다. 국내 데이터센터의 에너지 효율은 다른 나라 데이터센터의 효율보다 낮아 이의 개선 이 필요하다.  데이터센터의 정보통신 장비의 에너지 소비량 에 대한 총 에너지 소비량의 비를 PUE Power Usage Effectiveness라 한다. PUE가 ‘1’에 근접 할수록 효율이 높다는 것을 의미한다. 국내 민간 데이터센터의 PUE는 2.03, 공공 데이터센터는 3.13, 그리고 이중 그린데이터센터로 인증받은 곳 의 평균은 1.66이다.

해외 데이터센터 PUE 평균 은 1.7이다. 국내 데이터센터의 에너지 효율은 다른 나라 데이터센터의 효율보다 낮아 이의 개선 이 필요하다. 데이터센터는 24시간 중단없이 가동되므로 데 이터센터가 많아질수록 무탄소 기저발전원인 원 자력의 경제성이 높아진다. 태양광이나 풍력의 경 우 전력 생산의 간헐성으로 데이터센터의 전기 소 비 패턴 profile과 부합되지 않아 재생에너지는 보조적으로 사용되어야 한다. 데이터센터 확충에 따른 전력 부족을 완화하면 서 탄소 밀도 carbon density를 줄여야 하는 이 중의 과제를 해결하기 위해서는 원자력과 재생에 너지를 적정하게 확충하고, 전환과정에서 천연가 스 발전 등도 효율적으로 활용해야 한다. 향후 ‘제 11차 전력수급기본계획’ 수립 과정에서 데이터센 터 착공에 따른 전력수요 증가를 선제적으로 반영 하고 적절한 전원 구성을 도출해야 할 것이다.  데이터센터를 수요지에서 대형 발전소 주변으 로 이동하면, 전기사업자는 도심 변전소 증설 부담 을 덜 수 있지만 데이터센터 사업자의 통신 선로 설치 및 운영 비용은 증가한다. 따라서 데이터센터 입지에 따른 전력 설비 투자 비용과 통신 설비 투 자 비용을 종합적으로 검토해야 한다. 소비자들의 전기 및 통신 비용을 줄이기 위해 통신 비용과 전 력 설비 증설 비용의 합이 최소화되는 지리적 위치 에 데이터센터를 설치하는 것이 바람직할 것이다. 원가보다 낮은 전기요금을 유지한 결과 한전 부 채가 증가하고, 이에 송변전 설비 투자 여력도 줄 었다. 적정 전기요금 책정은 전력난 완화에 두 가 지 방향으로 기여할 것으로 판단된다. 적정 전기요 금은 한전 재무상태 개선으로 연결되어 송배전 투 자를 뒷받침하고, 다른 한편으로 경제성이 낮은 데 이터센터 건설을 줄이는 효과를 낳을 것이다. 

데이터센터의 냉각 설비 등을 효율화함으로써 전기 사용량을 줄일 수 있다. 단열 등으로 건물 에 너지 성능을 향상하고, 강바다, 협곡의 바람 등 자연 이용 냉각 기술을 활용하여 PUE를 향상하면 전기 수전 용량을 줄이고 계통 부하를 줄일 수 있 다. 냉각 중에 발생하는 폐열을 이용한 에너지 생 산도 가능하다. 현행 조세특례제한법 시행령 별표 신성장 원천기술에는 인공지능 관련 기술만 포함되어 있 을 뿐 데이터센터의 에너지 효율화 관련 기술은 없 다. 데이터센터의 에너지 효율 투자에 대한 세제 지원을 위하여 데이터센터 폐열회수기술 단열기 술 자연냉각기술 기타냉각기술 등을 동 별표에 포함하는 것을 검토할 수 있을 것이다. 수도권 도심 지역에 전력설비 설치를 위하여 지 하철 선로 및 공동구 이용 활성화 방안을 고려할 수 있다. 공동구는 국토의 계획 및 이용에 관한 법률 제44조 공동구의 설치에 따라 건설되고, 개발사업 시행자가 공동구를 설치하도록 하고 있 다. 동법 동조 제7항에서는 공동구에 들어갈 시설 은 국토교통부 장관이 정하도록 하고 공동구 설 치 및 관리지침 제5조에 전력시설을 규정하고 있 다. 지하철 터널의 이용 등에 대해서는 터널 내 여 유 공간 등을 고려하여 기술 기반 접근이 필요하 다. 교류 송전선의 열관리 기술을 우선 확보하여 전력계통 신뢰도를 유지할 수 있는 범위에서 공동 구의 활용, 지하철 선로의 활용, 지하 변전소 개발 등의 활성화 방안을 모색할 필요가 있다.

 
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