[강찬수의 기후신호등] AI로 수요 급증한 데이터센터 어디에 세울까

자고나면 새로 들어서는 데이터센터
전력수요 줄이려 다양한 기술 강구
국내 데이터 센터도 점점 심각해져
수도권 전력망이 버티지 못할 수도
해결책은 지속가능한 입지 구하는 것

인공지능(AI)의 폭발적 확산은 인류 문명을 혁신의 시대로 끌어올렸지만, 그 이면에는 눈에 보이지 않는 거대한 '전력 먹는 괴물'이 자라고 있다. 대규모 서버와 네트워크 장비를 모아 데이터의 저장·처리·전송을 안정적으로 수행하는 핵심 인프라인 데이터센터가 바로 그 주인공이다.

AI 모델의 학습과 서비스 제공에는 엄청난 연산 능력이 필요하다. 이를 뒷받침하는 서버가 급증하면서 전 세계 데이터센터는 지구 전력망과 수자원 체계의 새로운 위기 요인으로 부상했다. 에너지와 물을 적절하게 공급할 수 있는 곳, 주민 반대가 덜한 곳에 데이터센터를 세우는 것이 과제가 된 것이다.

◇ 폭증하는 전력 수요, 'AI 산업의 역설'

국제에너지기구(IEA)에 따르면 전 세계 데이터센터의 전력 소비는 2024년 약 415테라와트시(TWh, 1TWh=1000억kWh)에서 2030년 945TWh로 두 배로 증가할 전망이다. 이는 현재 일본 전체 전력 소비량(약 930TWh)와 맞먹는다. 특히 AI 전용 데이터센터의 전력 수요는 같은 기간 4배 이상 증가할 것으로 분석됐다(IEA, Electricity 2024 Report).

미국의 로렌스버클리국립연구소(LBNL)는 “데이터센터 전력 사용량이 2014년 58TWh에서 2023년 176TWh로 3배 늘었으며, 2028년에는 최대 580TWh에 이를 수 있다"고 전망했다. 이는 미국 전체 전력 소비의 최대 12% 수준이다.

이같은 전력 폭증은 곧 탄소 배출로 이어진다. 미국 데이터센터들이 2023년 9월부터 1년간 배출한 탄소량은 1억559만톤으로, 미국 국내 항공산업의 연간 배출량(1억3100만톤)에 근접했다(미 에너지정보청·EIA, 2024). 미국 내 데이터센터가 사용하는 전력의 56%가 여전히 화석연료(석탄 16% 포함)에서 나오는 점을 고려하면, AI 확산은 빅테크 기업들의 '넷제로' 약속에도 불구하고 오히려 탄소발자국을 키우고 있는 셈이다.

IT 시장분석·컨설팅 기관인 한국IDC는 국내 데이터센터 전력 수요가 2025년 4461MW에서 2028년 6175MW로 연평균 11% 증가할 것으로 내다봤다.

전문가들은 “AI의 학습용 연산량이 6개월마다 두 배씩 늘어나는 상황에서 데이터센터 수요는 더 늘어날 수밖에 없다"면서 “데이터센터는 이제 국가 전력정책을 좌지우지할 핵심 변수가 되고 있다"고 지적한다.

◇ '물 먹는 하마'가 된 AI 서버

데이터센터의 또 다른 그림자는 냉각수 사용이다. 고성능 그래픽처리장치(GPU) 서버의 발열을 식히기 위해 냉각 시스템이 가동이 필수적이다. 이 과정에서 전체 전력의 30~40%가 사용된다.

특히 증발 냉각 방식은 엄청난 양의 물을 소비한다. 한 하이퍼스케일급 데이터센터는 연간 1만2000~6만 명의 인구가 사용하는 물과 맞먹는 양을 쓴다(유엔환경계획(UNEP) 보고서, 2023).

미국의 경우 2023년 기준 데이터센터는 냉각에만 170억갤런(약 64억리터)을 직접 사용했고, 전력 생산 과정에서 2110억갤런을 간접적으로 소비했다(UC 버클리·LBNL 공동연구).

UNEP는 “데이터센터의 냉각에 쓰이는 물의 양은 덴마크 전체 소비량보다 4~6배 많을 수 있다"고 지적한다. 미국의 경우 데이터센터의 3분의 2 이상이 물 부족 지역인 미국 남서부 사막 지역에 위치하고 있어 물부족 문제를 부채질한다.

미국 캘리포니아대학 샌디에이고 캠퍼스 환경공학과 줄리안 헌터 교수는 “AI 산업은 물과 전기를 동시에 집어삼킨다. 냉각 기술을 혁신하지 않으면, 기후위기의 또 다른 불씨가 될 것"이라고 경고했다.

◇주민 반발과 규제 강화, 커지는 사회적 압력

미국 테네시주에서는 일론 머스크의 xAI 데이터센터가 가스터빈을 자체 발전기로 사용하면서 질소산화물을 배출해 주민 반발을 불렀다. 애리조나와 네바다 사막 지역에서도 농업용수 부족 문제로 데이터센터 건립이 지연되거나 취소되는 사례가 잇따른다.

이에 각국은 규제 강화에 나섰다. 유럽연합(EU)은 에너지효율지침(2023 개정)을 통해 500kW 이상 데이터센터의 에너지·물 사용 정보 공개를 의무화했다.

미국 뉴저지주는 데이터센터 운영사에 분기별 물·전력 사용량 공개를 의무화하는 법안을 추진 중이다.

말레이시아는 전력 사용 감축 계획이 없는 외국 데이터센터 4건을 반려했다.

UN 지속가능 정보통신기술(ICT)위원회의 리사 토머스 박사는 “이제 데이터센터 산업은 '영업 비밀'을 이유로 지역사회의 감시를 피할 수 없다. 에너지·물 사용량의 투명한 공개는 기업의 생존 조건이 됐다"고 말했다.

또 다른 논란은 '비하인드 더 미터(behind the meter)' 방식이다. 아마존웹서비스(AWS)가 미국 펜실베이니아 서스퀘해나 원전 옆에 데이터센터를 세워 전력을 직접 공급받으려 했으나, 연방에너지규제위원회(FERC)가 공정성 논란을 이유로 제동을 걸었다. 비평가들은 “일반 소비자가 유지비를 부담하는 공공 전력망에 대기업이 무임승차한다"고 지적한다.

◇지구를 벗어나다: 우주·물속·지하의 새로운 입지

지상의 전력·수자원 제약을 벗어나기 위한 대안으로, 글로벌 IT 기업들은 우주·해저·지하 광산으로 눈을 돌리고 있다.

▶우주 데이터센터 = 구글은 차세대 AI 모델 '제미나이(Gemini)'를 우주 궤도 데이터센터에서 시범운영하는 프로젝트를 추진 중이다. 우주는 밤낮 없이 태양광을 받을 수 있어 95% 이상 가동률의 전력 공급이 가능하며, 진공 상태를 이용한 자연 냉각이 가능하다. 하지만 방사선 차폐, 파편 충돌, 전송 지연 등 난제가 남는다.

스타클라우드(Starcloud)의 최고기술책임자(CTO)인 크리스 헤이스 박사는 “지상보다 10배 효율적인 전력 이용이 가능하지만, 비용은 100배 비싸다"라며 “우주 데이터센터는 아직 실험실 단계"라고 말했다.

▶수중 데이터센터 = 마이크로소프트의 '나틱(Natick) 프로젝트'는 2018년 스코틀랜드 앞바다에서 시행되어 PUE 1.07을 기록, 세계 최고 효율을 입증했다. 데이터센터의 에너지 효율 지표인 PUE(Power Usage Effectiveness)는 데이터센터 전체 전력 사용량을 IT 장비(서버, 스토리지, 네트워크 장비 등)가 실제로 사용하는 전력량으로 나눈 값이다. PUE 1.07은 냉각 등 부수적인 용도에 사용된 에너지는 실제 IT 장비 운영에 들어간 에너지의 7%에 불과했다는 뜻이다.

이후 중국 하이란윈(Hailanyun)이 해상 풍력 발전과 결합한 수중 데이터센터를 상하이 앞바다에 착공했다. 해당 시설은 전력의 97%를 재생에너지로 공급받을 예정이다.

한국과 일본, 싱가포르도 유사한 기술 상용화를 검토 중이다. 최근 삼성물산과 삼성중공업은 오픈AI와 함께 해상 데이터센터, 이른바 '플로팅(Floating) 데이터센터' 개발에 관한 논의가 진행 중인 것으로 알려졌다. 바다 위에 데이터센터를 설치하는 프로젝트다.

▶폐광·지하 데이터센터 = 스위스의 마운트10(Mount10), 노르웨이 레프달 광산(Lefdal), 영국 켄트의 사이버포트 벙커 등은 이미 냉전 시대 핵벙커를 데이터센터로 전환했다. 국내에서는 전남 장성군이 LS그룹과 협력해 석회석 폐광을 활용한 150MW 규모의 AI 데이터센터를 추진하고 있다.

장성군 관계자는 “폐광의 안정된 온도와 지하수 냉각 시스템은 데이터센터 냉각비를 30% 이상 줄일 수 있다. 장성은 새로운 '데이터 금광'이 될 가능성이 있다"고 기대하고 있다.

◇에너지 혁신 경쟁: 원전·수열·액침 냉각

AI 시대의 전력 수요를 버티기 위해 에너지 효율 혁신이 전 세계적으로 가속화되고 있다. 빅테크들은 간헐성이 큰 풍력·태양광 대신, 24시간 전력 공급이 가능한 원자력으로 눈을 돌렸다. 아마존·MS·메타·구글은 기존 원전과 장기 전력구매계약(PPA)을 맺거나 소형모듈원자로(SMR) 개발에 투자하고 있다.

구글은 펜실베이니아 수력발전소 두 곳에서 20년간 최대 3GW(기가와트) 전력을 공급받는 계약(4조원 규모)을 체결했다. 또한 '솔루나(Soluna)' 같은 기업은 송전망 부족으로 버려지는 잉여 풍력·태양광을 데이터센터와 공동 배치(co-location)해 저가에 확보하는 모델을 운영 중이다.

냉각 혁신도 활발하다. 서버를 특수 절연액에 담가 냉각해 전력을 30% 절감하는 액침 냉각(Immersion Cooling)이 주목을 받고 있다. 하천수·지하수의 열을 히트펌프로 재활용해 냉난방 비용을 30% 절감할 수 있는 수열 에너지(Water Thermal Energy)도 활용되고 있다.

전문가들은 “국내 평균 PUE는 1.76으로, 글로벌 평균 1.55보다 비효율적"이라면서 “정부가 최소 효율 기준을 제정하고, 새로운 냉각 기술의 도입을 지원해야 한다"고 말한다.

◇한국의 현실: 수도권 집중, 전력망이 한계에 다다르다

국내 상업용 데이터센터의 약 90%가 수도권에 몰려 있다. 신규 건립 신청 300건 중 절반 이상이 수도권에 집중됐다. 2028년까지 수도권 내 대형 센터 40곳이 추가될 예정인데, 이렇게 되면 전체 수전용량(수용가가 전기를 받기 위해 설비한 변압기 용량의 총합)은 4.1GW에 달한다.

일부에서는 “100MW급 데이터센터 하나는 5만 명 신도시의 전력과 맞먹는다"며 “현 속도로 늘면 수도권 전력망은 2030년 이전에 포화에 도달할 것"이라고 우려하고 있다. 전력망 확충에는 최대 10년이 걸리고, 주민 반발이 커지면서 사업 속도는 더디다.

데이터센터 집중은 전력요금 상승과 송전망 왜곡을 초래할 수도 있다고 전문가들은 우려한다. 그럼에도 기업들은 네트워크 품질, IT 인력, 서비스 기업 접근성 때문에 수도권을 고집한다. 지방 이전을 추진해도 전력계통영향평가 부담은 수도권과 동일해 지방 매력도가 낮다.

◇분산형 해법: 지역 균형과 지속 가능성을 향해

지속가능한 냉각과 청정 에너지, 그리고 균형 잡힌 입지 전략 없다면 AI의 미래도 없다. 한국이 'AI 강국'으로 도약하려면 데이터센터의 녹색 전환부터 이뤄야 한다고 전문가들은 입을 모은다.

정부는 '분산에너지 활성화 특별법'(2024)을 근거로 데이터센터의 지방 분산 정책을 본격 추진 중이다.특정 지역을 '분산에너지 특구'로 지정해 전력계통 영향평가를 간소화하고, 지방 전기요금 감면제를 적용한다.

권역별 전략도 제시됐다. 수도권은 소규모 데이터센터를, 호남권은 풍력·태양광 등 재생에너지 기반의 대형 센터를, 영남권은 원전 인근 입지를 활용한 안정적 전력형 센터를 유치한다는 것이다.

실제 SK그룹은 AWS와 협력해 울산에 103MW급 AI 데이터센터를 착공했다. LNG 복합발전소 인근 부지를 활용하고, SK하이닉스의 AI 반도체·냉각 기술을 통합한 '토털 에너지 솔루션 패키지'를 제시해 유치에 성공했다. SK 측은 “전력·냉각·AI 반도체를 한꺼번에 해결하는 통합형 모델이 지방 입지의 게임 체인저가 될 수 있다"고 밝히고 있다.

지역 분산 외에도 지속 가능한 데이터 인프라를 위한 과제는 남아있다. 무엇보다 에너지 효율 향상이다. 이를 위해 PUE 최소 기준 도입, 냉각 기술 혁신, 폐열 회수 제도화 등이 필요하다.

재생에너지 전환 가속화도 시급하다. RE100 수준의 재생에너지 사용 의무화, 물·전력 사용량 공개 의무 등도 이뤄져야 한다. 아울러 주민 참여형 정보공개와 보상체계 마련 등을 통해 사회적 공감대를 구축하는 것도 필요하다.

미국 버지니아 공대의 인공지능 전문가 디미트리 니콜로풀로스는 “강력한 공익 보호 장치가 없다면 데이터 센터가 늘어날수록 기존 분열과 환경 비용이 심화될 수 있다"면서 “단순히 얼마나 많은 데이터 센터를 건설하느냐가 아니라 어떤 종류의 데이터 센터를 어디에, 누구를 위해 건설하느냐가 중요하다"고 강조했다.

강찬수 기자 kcs25@ekn.kr