2022.03.22 (화)

HOT ISSUE

굴뚝 없는 공장 데이터센터, 친환경 ‘연료전지’ 주목

ICT 핵심인 데이터센터, 지구 온난화 주범으로 지목
전력 사용량 많은 데이터센터 급증에 탄소배출량 증가 우려
EGS‧RE100 영향으로 연료전지 적용 사례 증가
안정적 전력 공급 필요로 한계 여전…관련 정책 마련 목소리

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[월간수소경제 박상우 기자] 인공지능(AI), 빅데이터, 클라우드, 사물인터넷 등을 활용한 새로운 정보통신기술(ICT)이 대거 등장하고 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 팬데믹 사태 장기화로 비대면이 일상화되면서 방대해지는 데이터를 보관할 데이터센터(DataCenter)가 급증하고 있다. 

우리금융경영연구소에 따르면 글로벌 데이터센터 수는 2016년 1,252개에서 2021년 1,851개로 최근 5년간 약 50% 증가했다. 이 중 국내 데이터센터 수는 2020년 기준 156개이며 민간에서 구축·운영 중인 센터가 88개, 정부·공공영역에서 구축·운영 중인 센터는 68개로 각각 집계됐다. 

2025년에 이르면 글로벌 데이터센터 수는 2,300여 개까지 늘어날 것으로 보인다. 국내는 30여 개가 늘어날 것으로 보이며 건설 계획 중인 19개를 포함하면 그 숫자는 더욱 늘어날 것으로 전망된다.

‘전기 먹는 하마’ 데이터센터
이 데이터센터가 지구 온난화 주범으로 지목되고 있다. 

데이터센터 산업의 탄소배출량은 글로벌 탄소배출량의 0.8%에 해당한다. 철강(7.2%)과 석유화학(3.6%)을 제외한 대부분 업종의 탄소배출량 비중이 0.5~0.7%인 것을 감안하면 높은 편이다. 직접적으로 오염물질을 배출하지 않지만 화력발전에 기반한 전력 사용량이 많기 때문이다. 

데이터센터는 ‘전기 먹는 하마’로 불리는 대표적인 대규모 전력 소비 시설이다. 기술 발전으로 에너지 효율성이 증대되면서 에너지 수요 증가가 제한되고 있으나 데이터센터의 에너지 소비량에 대한 우려는 여전하다.

데이터센터는 단 1초라도 전력 공급이 중단되면 수치화할 수 없을 만큼의 막대한 피해가 발생한다. 이를 막기 위해 24시간 365일 연중무휴로 계속 가동될 수 있도록 둘 이상의 발전소 또는 변전소로부터 전기 공급이 끊임없이 이뤄져야 한다. 

여기에 서버와 네트워크에서 발생하는 열을 식히기 위한 냉방설비도 멈춰서는 안 된다. 서버와 네트워크 장비는 엄청난 열기를 내뿜지만 정작 열에 매우 취약해 온도가 일정 이상으로 높아지면 성능이 저하되거나 고장이 난다. 미국냉동공조학회는 데이터센터의 적정 온도를 18~27℃로 제시하고 있다.


이로 인해 데이터센터 전력 사용량의 50%가 냉방설비이며 서버·네트워크 등 IT 장비 가동에 35%, 나머지는 사무실 관리용으로 사용되거나 손실되는 것으로 알려졌다. 아울러 습도조절장치, 보안·관제시스템 등 각종 전자장비도 상시 가동되어야 한다.

국제에너지기구(IEA)에 따르면 2019년 데이터센터의 전력 사용량은 약 200TWh로 전세계 전력 사용량의 0.8%를 차지했다. 이는 같은 해 한국의 전력 소비량인 527TWh의 38%에 해당한다. 2030년에 이르면 전세계 데이터센터의 전력 사용량은 전세계 전력 사용량의 8%에 해당하는 3,000TWh까지 늘어날 것으로 전망된다.

여기에 10만 대 이상의 서버를 갖춘 대형 데이터센터인 하이퍼스케일급 데이터센터 1곳당 전력 사용량은 300MW로 원전 1기 발전설비의 3분의 1에 해당한다. 국내에는 강원도 춘천에 있는 네이버 ‘각’과 서울 용산에 있는 KT 용산 인터넷데이터센터(IDC) 등 총 2개가 있으며 2025년까지 5개가 추가될 예정이다.

또 지난 2019년 서울시는 연간 2,000TOE 이상 에너지를 사용한 에너지다소비사업자를 대상으로 한 에너지 사용량 조사 결과를 발표했다. 1TOE(석유환산톤)는 중형 승용차가 서울과 부산을 16번 왕복할 수 있는 휘발유량이자 일반 가정에서 약 1년 4개월간 쓸 수 있는 전기량에 해당한다.

그 결과 KT 목동 IDC가 가장 많은 전력 사용량을 기록한 것으로 나타났다. 이곳은 2019년 한 해 동안 20만5,100MWh의 전력을 사용했는데 이는 약 5만7,000가구의 전력 사용량과 비슷한 수준이다.

이같이 엄청난 전력 사용량을 보이는 데이터센터가 계속 늘어날 예정이나 석탄, 가스 등 화력발전 비중이 높은 국가가 많아 데이터센터 증가에 따른 전력 사용량 증가로 탄소배출량이 증가할 것이라는 우려가 있다.

강원도 춘천에 있는 네이버의 데이터센터인 ‘각’에서 배출한 온실가스는 2017년 4만9,539tCO2e(이산화탄소 환산톤), 2018년 6만4,906tCO2e, 2019년 7만1,534tCO2e, 2020년 7만3,176tCO2e로 해마다 늘었으며, 특히 네이버가 매년 배출한 총 온실가스의 90%에 달한다.



그런데 네이버는 세종특별자치시에 춘천 데이터센터보다 6배 이상 큰 제2 데이터센터를 건립하고 있다. 내년 말에 완공되는 이 데이터센터는 최적의 에너지 효율을 달성할 수 있도록 설계됐으나 온실가스 배출 증가는 막을 수 없다.

또 그린피스는 중국의 데이터센터 산업이 배출하는 탄소량이 2035년 3억1,000만 톤에 달할 것으로 예측했다. 현재 공급되는 전력의 60% 이상이 석탄 발전을 통해 공급되는데 전력 사용량이 지금보다 4배가량 증가할 것으로 예상되기 때문이다.

여기에 정전을 대비해 설치하는 비상발전기가 대부분 디젤, 가스 등을 원료로 사용하고 열을 식히는 냉각시스템에서 많은 양의 탄소가 배출되며 냉각되지 않고 배출되는 폐열 등도 데이터센터를 온난화 주범으로 지목하게 한다.

ESG·RE100로 떠오른 ‘그린 데이터센터’
이런 가운데 최근 ESG(환경·책임·투명경영)와 RE100(재생가능에너지 100%)이 기업 가치 평가와 투자 유치에 영향을 미치게 되자 데이터센터를 운영하는 업체들은 에너지 효율성이 높고 탄소배출량이 낮은 그린 데이터센터를 구축하고 있다.

대표적인 곳이 세계 최대 IT업체인 마이크로소프트(MS)다. MS는 2030년까지 탄소 네거티브를 실현하고 2050년까지 넷 제로를 달성하기 위해 지속가능한 데이터센터를 개발하고 있으며 그 일환으로 디젤비상발전기를 수소연료전지로 대체하려 한다.

MS는 이를 위해 미국 유타주 솔트레이크시티에 있는 연구소에 250kW급 연료전지를 구축하고 지난 2019년 12월에 24시간 가동 실험을, 2020년 6월에 48시간 연속 가동 실험을 성공적으로 마쳤다. 48시간 연속 가동 실험 때 100톤의 수소가 사용된 것으로 알려졌다.

MS는 현재 1.5MW급 연료전지를 설치하고 가동 실험을 진행하고 있으며 향후 자사 클라우드 서비스 애저(Azure) 전용 데이터센터의 디젤비상발전기 크기와 맞먹는 3MW급 연료전지를 설치해 테스트할 예정이다.

또 5개 대륙 27개국에서 229개의 데이터센터를 보유하고 있는 미국의 에퀴닉스(Equinix)는 지난 2021년 12월부터 독일 연료전지 제조업체 솔리드파워 등 7개 업체와 데이터센터 전력 공급을 위한 연료전지 플랫폼 구축 프로젝트를 진행하고 있다.


지난 1월에는 미국 워싱턴 D.C.에 있는 자사 데이터센터에 공동 혁신 시설을 설립했다. 에퀴닉스는 이곳에서 블룸에너지 등과 협업해 데이터센터에 탑재할 연료전지와 고성능 배터리를 개발할 예정이다.

아울러 에퀴닉스는 블룸에너지와 협업해 발전기와 무정전 전원공급장치(UPS)를 SOFC로 대체하는 방법을 연구하고 있다

또 네덜란드의 데이터센터 전문업체인 NorthC는 오는 6월 네덜란드 흐로닝언에 있는 데이터센터에 유럽 최초로 500kW급 연료전지를 설치할 예정이다. NorthC는 디젤비상발전기를 연료전지로 대체하고 이를 기반으로 관련 기술을 발전시켜 범위를 넓혀 나간다는 계획이다.

영국의 인터넷 서비스 제공업체인 텔레데이터(Teledata)는 지난해 12월 블룸에너지와 협력해 맨체스터에 있는 자사 데이터센터에 1.2MW급 SOFC를 설치할 예정이라고 밝힌 바 있다.

국내의 경우 카카오는 지난해 12월에 착공한 첫 독립 데이터센터에 1MW급 태양광 발전설비와 50kW급 연료전지를 설치할 예정이다. 이 센터는 경기도 안산에 있는 한양대학교 에리카캠퍼스에 구축되며 총 12만 대의 서버, 6EB(엑사바이트)의 데이터양을 저장할 수 있는 하이퍼스케일급이다.

LG유플러스는 지난해 6월에 착공한 평촌2센터에 태양광 발전설비와 연료전지 등을 설치할 예정이다. 경기도 안양시에 구축되는 이 센터는 LG유플러스가 현재 운영하는 평촌메가센터에 이어 두 번째로 짓는 하이퍼스케일급 데이터센터다.

정부 차원에서도 데이터센터에 연료전지를 적용하려는 움직임을 보이고 있다. 지난해 12월에는 과학기술정보통신부가 삼성전자, 네이버, SK텔레콤, 두산퓨얼셀 등 주요 ICT 기업, 한국정보통신진흥협회, 한국데이터센터연합회 등 관련 협회·기관과 디지털 탄소중립협의회를 출범시켰다.

이 협의회는 디지털 대전환 등으로 에너지 수요가 지속적으로 증가할 것으로 예상되는 디지털 부문의 탄소중립을 위해 디지털 부문 내 주요 에너지 소비원인 데이터센터, 네트워크 등의 에너지 효율화를 위한 혁신 기술 개발과 보급, 기업의 탄소중립 추진 관련 애로사항 해결을 지원하기 위한 지원체계 검토 등을 추진하기로 했다.

특히 디지털 탄소중립 솔루션 중 하나로 연료전지가 크게 대두될 것으로 예상된다. 두산퓨얼셀은 디지털 탄소중립협의회 출범식에서 ‘연료전지를 활용한 저탄소·무탄소 전원 공급 방안’을 발표했다.


두산퓨얼셀에 따르면 연료전지는 기존의 발전 방식 대비 현저히 낮은 배출가스와 소음 수준을 자랑하며, 수소를 직접 이용 시 무공해 발전이 가능한 친환경 에너지설비다. 

또 낮은 에너지 손실과 높은 효율로 전기와 열을 동시에 생산할 수 있는 열병합발전기로, 적은 설치 면적과 다양한 설치 조건에 유연하게 대응할 수 있어 초기 투자비용을 최소화할 수 있다. 발전과정에서 높은 압력과 연소과정이 필요 없는 안전한 기술이기도 하다. 

이와 함께 자연재해 또는 계통 문제로 정전 발생 시 즉시 독립운전 모드로 전환되어 안정적인 전력 및 열 공급이 가능하다. 지진, 태풍(허리케인) 등 자연재해가 많은 미국이나 일본에서 연료전지를 비상발전원으로 많이 활용하는 이유다.  

지자체도 데이터센터 탄소중립을 위한 연료전지 적용에 관심을 갖고 있다. 대표적인 곳이 바로 부산이다. 현재 부산시는 데이터센터 집적단지와 연료전지 발전소를 연계하는 방안을 검토하고 있다.

부산시는 강서구에 있는 스마트시티 국가시범도시인 부산에코델타시티에 데이터센터 집적단지 조성을 추진하고 있다. 이 단지에서 약 3km 떨어진 곳에 200MW급 수소연료전지 발전소가 들어설 예정이다. 

해당 발전소는 부산시, 맥쿼리캐피탈코리아, 부산도시가스가 협력해 설립하며 총 1조5,000억 원이 투입된다. 이 중 1조2,000억 원을 맥쿼리가 투입해 2025년까지 200MW 수소연료전지 발전소를 건설하고, 부산도시가스는 3,000억 원을 투자해 발전소에서 나오는 열을 지역난방으로 공급하는 배관과 보일러 등을 구축한다.

부산시 관계자는 “데이터센터 집적단지 조성을 검토하는데 인근에 연료전지 발전소가 들어선다는 것을 파악하고 최근 그린 데이터센터 구축이 활발해지는 것을 감안해 업체를 유치하고자 해당 발전소와 단지를 연계하는 방안을 검토하고 있다”라며 “데이터센터 집적단지 조성 최종 계획은 이르면 올 연말에 확정될 예정”이라고 밝혔다.

가성비 좋은 한전 전기
그러나 현재로선 데이터센터에 연료전지를 적용하는 데 한계가 있다는 지적이 제기된다. 이는 비용, 안정성 등을 고려하면 연료전지를 적용하는 것보단 현 상황을 유지하는 것이 더 유리하다고 보고 있기 때문이다.



한국데이터센터연합회 관계자는 “데이터센터에 연료전지를 적용하는 것을 검토하고 있으나 국내에서 적용한 사례는 전무하다”라며 “연료전지를 메인 전력용으로 써야 의미 있는 수준이 될 텐데 안정적인 전력 공급이 중요한 데이터센터 특성상 현재는 연료전지를 메인 전력용으로 쓰기에는 시기적절하지 않다”고 운을 뗐다.

이어 “연료전지를 포함한 신재생에너지 발전은 현재 주전원으로 사용하기가 어려워 몇몇 센터에서는 태양광 발전으로 자가전력을 생산하고 있으나 공조장치용으로 사용하는 것이 전부”라며 “백업용 전원의 경우 무정전 전원공급장치(UPS)를 쓰거나 리튬이온배터리, 리튬인산철배터리 등 배터리를 사용하고 있다”고 설명했다.

그러면서 “RE100 이슈가 있어서 앞으로 지어질 데이터센터에 연료전지를 적용하는 것을 검토하고 있으나 이미 투자가 이뤄진 곳은 인프라를 바꾸기가 싶지 않아서 탄소저감 활동을 하는 데 제한적”이라고 덧붙였다.

무엇보다 신재생에너지 발전은 투자비용과 발전단가가 높지만 전력효율과 안정성이 낮아 발전단가가 저렴하면서도 안정적인 전기 공급이 중요한 데이터센터로서는 꺼려질 수밖에 없다는 것이다.

한국RE100협의체를 이끄는 한국에너지융합협회가 지난 1월 국내기업 306개를 대상으로 RE100 활성화를 위한 설문조사를 진행한 결과 RE100 이행의 가장 큰 장애요인으로 재생에너지의 높은 투자비용 또는 구매비용(25.3%)을 꼽았다. 이어 이행제도(23.6%), 재생에너지 보급(23.0%)이 뒤를 이었다.

이같이 신재생에너지 발전은 아직 데이터센터 업계의 가성비(가격 대비 성능)를 충족하지 못하는 반면 한국전력을 통한 발전은 가성비를 충족할 수 있다는 얘기다. 

한국전력에 따르면 2020년 국내 산업용 전기요금은 1kWh당 9.43센트로 OECD 평균인 10.73센트보다 낮다. 국내 산업용 전기요금이 OECD 국가 중 낮은 편에 속한다고 볼 수 있다.

전기품질을 평가하는 항목 중 하나인 송배전손실률(전기를 수송하는 과정에서 손실된 비율)은 지난 2020년 3.54%로 2010년부터 10년째 3%대의 손실률을 기록했다. 2018년 기준으로 영국이 8.0%, 프랑스가 7.6%, 미국이 5.2%의 손실률을 기록한 것을 감안하면 우수하다.

또 1년 동안 한 가구당 정전을 10분 정도 경험한 것을 나타내는 호당 정전시간은 지난 2020년 8.9분으로 일본이 10분대, 미국, 영국, 프랑스가 60~80분대인 것을 감안하면 국내 전기품질이 주요 선진국보다 뛰어난 세계 최고 수준이라고 할 수 있다.

이 때문에 데이터센터 업계는 연료전지 등 신재생에너지 발전 도입을 검토하고 있으나 정부에 관련 지원책을 요구하지 않을 정도로 아직은 소극적인 모습을 보이고 있다.

한국데이터센터연합회 관계자는 “일부 업계에서 ‘보조금을 지급해 신재생에너지 발전단가를 한국전력 발전단가 수준으로 낮추면 신재생에너지 적용에 나설 것’이라는 목소리가 나오기는 하지만 RE100 달성을 위한 방안을 찾기가 어려우니 대안을 달라는 정도만 정부에 요청할 뿐 신재생에너지 발전과 관련해서 요구하는 것은 없다”고 설명했다.


‘굴뚝 없는 공장’ 
지난 2020년 효성그룹은 데이터센터 사업 진출을 선언했다. 효성은 1차적으로 1조 원을 투입해 5곳에 데이터센터 거점을 확보하기로 하고 그 첫 거점으로 경기도 안양시를 선택했다. 

그러나 데이터센터가 들어설 부지 인근 주민들의 반대로 무산될 위기에 처했다. 주민들은 △조망권과 일조권 침해 △오염물질, 소음, 진동 등 환경문제 △전자파 발생 △재산권 침해 등을 이유로 거세게 반대하고 있다. 

흔히 데이터센터를 굴뚝 없는 공장이라고 부른다. 원자재인 데이터를 저장하고 필요한 데이터를 꺼내 가공한 후 서비스를 만들어 제공하는 역할을 수행하기 때문이다. 

굴뚝 없는 공장이라는 이 별칭이 최근 나쁜 의미로 해석되고 있다. 굴뚝만 없을 뿐 이산화탄소, 폐열 등 환경을 악화시키는 오염물질을 배출하고 있다는 이유에서다.

그래서 데이터센터를 운영하는 업체들은 친환경적인 그린 데이터센터 구축에 나서고 있지만 안정적인 전력 공급이 반드시 필요한 특성 때문에 현재의 화력발전에 의존하는 모습이다. 

그렇다고 기업의 사회적 책임인 탄소중립을 마냥 외면할 수도 없기 때문에 신재생에너지 발전설비 적용에 노력할 것으로 보이며, 신재생에너지 중에서도 연료전지가 좋은 대안으로 떠오를 것으로 예상된다. 정부 차원에서 데이터센터의 연료전지 적용을 유도할 수 있는 방안 마련이 시급한 이유다.





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