AI와 데이터센터의 전력 수요 증가, 청정에너지로의 전환이 필요하다

1. 요약

• 데이터센터의 전력 수요 증가란 현대 사회의 다양한 디지털 혁신과 떼레야 뗄 수 없는 복잡한 관계에 국한됩니다. AI 기술과 클라우드 서비스의 비약적인 발전은 데이터센터의 에너지 요구량을 급격히 부풀리고 있으며, 이러한 지속적인 증가세는 환경적 지속 가능성에 심각한 위협이 되고 있습니다. AI 기술은 대규모 데이터 처리를 포함하여 초당 수많은 계산을 요구하며, 이로 인해 데이터센터의 에너지 소비는 기하급수적으로 늘어나고 있습니다. 글로벌 데이터센터의 전력 사용량은 현재 연간 240~340TWh에 이르며, 이 수치는 앞으로도 계속해서 확대될 것이라는 예측이 지배적입니다. 이에 따라, 데이터센터들에서 원자력 및 마이크로그리드와 같은 청정에너지원에 대한 필요성이 절실히 증가하고 있습니다.

• 최근 보고서에 따르면, AI 데이터센터의 전력 소모가 기존 데이터센터의 6배에 달할 수 있으며, 이를 관리하기 위한 다양한 효율적 전략 및 대안이 요구되고 있습니다. 빅테크 기업들은 막대한 금액을 데이터센터에 투자하고 있으나, 이로 인해 발생하는 온실가스 배출 문제와 물 소비 문제는 더욱 심각한 환경적 도전으로 떠오르고 있습니다. 데이터센터는 원활한 운영을 위해 24시간 안정적인 전력 공급이 필수적이기에, 청정에너지원으로서 원자력의 안정적인 공급 능력과 마이크로그리드의 독립적 운영 가능성에 주목할 필요가 있습니다. 이러한 요인은 각각의 데이터센터가 궁극적으로 지속 가능한 운영을 위해 해결해야 할 중대한 과제가 될 것입니다.

• 이 보고서는 데이터센터의 급증하는 에너지 수요 문제에 대한 보다 체계적인 이해를 제공하고, 청정에너지 전환이 어떤 식으로 이를 해결할 수 있는지를 논의합니다. 이러한 논의는 단순히 기술적 응용을 넘어 사회 전체의 지속 가능성을 확보하기 위한 필수적인 과정으로, 독자들이 변화하는 에너지 환경에 대한 통찰을 가질 수 있도록 도울 것입니다.

2. 전력 수요 증가 배경

• 2-1. AI 기술의 발전과 데이터센터 수요

• 최근 몇 년간 AI 기술의 비약적인 발전은 데이터센터의 수요를 크게 증가시키고 있습니다. AI 기술은 대량의 데이터를 처리하고 학습하며, 이를 위해 막대한 전량의 컴퓨팅 리소스를 필요로 합니다. 특히, 생성형 AI와 같은 고급 알고리즘을 사용하는 시스템은 초당 수많은 계산을 수행해야 하며, 그로 인해 필요한 전력량이 기하급수적으로 증가하고 있습니다.

• 예를 들어, 데이터센터의 에너지 사용량은 최근 5년간 급격히 늘어나고 있으며, 이와 같은 경향은 앞으로도 계속될 것으로 예상됩니다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면, 2022년 글로벌 데이터센터의 전력 사용량은 240~340TWh에 달하며, 이는 전체 전력 사용량의 1~1.3%를 차지합니다. 데이터센터의 전력 수요는 매년 20%에서 40%까지 증가하는 추세입니다.

• AI 도입으로 인해 데이터센터의 전력 소모는 기존 데이터센터의 6배까지 늘어날 수 있으며, 데이터센터 설계 및 운영에 있어 전력 효율성과 지속 가능성에 대한 우려가 커지고 있습니다. 이러한 상황에서 데이터센터 운영자 및 기업들은 전력 공급을 안정적으로 유지하기 위해 청정 에너지원인 원자력과 마이크로그리드를 주목하고 있습니다.

• 2-2. 빅테크 기업의 에너지 소모 실태

• 구글, 마이크로소프트, 아마존과 같은 빅테크 기업들은 AI 및 클라우드 서비스를 위한 대규모 데이터센터를 운영하고 있습니다. 예를 들어, 마이크로소프트는 AI 데이터센터를 운영하며, 이로 인해 전력 소비량이 2020년 이후 1/3가량 증가하였습니다. 아마존은 향후 15년간 데이터센터에 1, 500억 달러를 투자할 계획이며, 이는 기후 목표 달성을 어렵게 만드는 요인으로 작용하고 있습니다.

• 특히 AI 관련 데이터센터의 전력 소모는 기존 데이터센터에 비해 급증하는 모습을 보이고 있습니다. 2024년 5월에 발표된 보고서에 따르면, 생성형 AI를 활용한 서비스는 전력 사용량을 검색당 0.3Wh에서 6.9~8.9Wh로 증가시킬 수 있다고 합니다. 이러한 수치는 데이터센터의 에너지 효율성을 더욱 촉발하는 요인으로 작용하고 있습니다.

• 또한 데이터센터는 막대한 양의 물도 사용하는데, 이는 냉각을 위한 전력 소모와 직결됩니다. AI 훈련 과정에서 수조의 물이 소모될 수 있으며, 이는 담수 부족 문제를 야기할 수 있습니다. 이처럼 빅테크 기업들이 운영하는 데이터센터의 에너지 소모 실태는 환경적으로 큰 영향을 미치고 있으며, 이에 대한 해결책과 대책이 시급한 상황입니다.

3. 현재의 전력 공급 상황

• 3-1. 데이터센터의 전력소비 현황

• 최근 들어 데이터센터의 전력 소비는 급격히 증가하고 있습니다. 특히 AI와 클라우드 서비스의 발전으로 인해 데이터센터의 수요가 매우 높은 상황입니다. 예를 들어, 미국의 주요 주들인 캘리포니아, 텍사스 및 애리조나에서는 데이터센터의 건설이 폭발적으로 증가하고 있으며, 이는 대규모 전력 소비를 초래하고 있습니다. 원자력발전은 이렇게 늘어난 전력 수요를 충족시키는 데 있어 중요한 역할을 할 수 있는 청정에너지원으로 주목받고 있습니다.

• 데이터센터는 원활한 운영을 위해 24시간 안정적인 전력 공급이 필요합니다. 데이터센터의 고성능 컴퓨팅 장비와 대규모 서버는 막대한 전력을 필요로 하며, 이는 기존 전력망에 큰 부담을 줄 수 있습니다. 따라서 전력 공급의 안정성과 비용 효율성을 높이기 위한 다양한 노력이 요구되고 있습니다.

• 미국 에너지 정보국의 분석에 따르면, 원자력발전소는 하루 24시간 안정적으로 전력을 생산할 수 있어 데이터센터와의 연결성이 높습니다. 한편, 데이터센터들이 원자력발전을 선택하는 이유는 지속적인 전력 공급과 탄소 배출이 없기 때문입니다. 이처럼 원자력발전은 데이터센터의 지속가능한 운영을 위한 중요한 배경을 제공합니다.

• 3-2. 원자력발전의 잠재력

• 원자력발전은 데이터센터의 전력 공급을 안정적으로 지원할 수 있는 혁신적인 솔루션으로 알려져 있습니다. 미국 에너지부에서는 올해 발표한 보고서에서 2050년까지 원자력발전 용량을 현재 100GW에서 300GW로 늘려야 한다고 언급하며, 이 배경에는 데이터센터의 전력 수요 급증이 있습니다. 원자력발전소는 수요 변화에 민감하지 않아 편리하게 사용할 수 있는 장점이 있습니다.

• 또한 원자력발전의 이점 중 하나는 다른 재생에너지원과의 융합 가능성입니다. 예를 들어, 태양광이나 풍력과 함께 운영될 경우 전력 생산의 연속성과 효율성을 높일 수 있습니다. 캘리포니아의 탈탄소화 모델링 시나리오에 따르면, 원자력발전 용량을 늘리는 경우 전체 발전 및 송전 시스템 비용이 평균 37% 감소하는 효과를 가져온다고 합니다.

• 데이터센터 운영자들은 소형 모듈 원자로(SMR)를 활용하여 규모가 작은 데이터센터의 전력 수급을 안정적으로 확보할 수 있는 방안을 모색하고 있습니다. 이러한 방식은 데이터센터가 상시 안정적인 전력을 공급받을 수 있도록 도와주며, 지속적인 운영을 위한 최적의 솔루션으로 평가받고 있습니다.

4. 마이크로그리드의 가능성

• 4-1. 마이크로그리드 개념 소개

• 마이크로그리드는 특정 지역 또는 커뮤니티에서 자립적으로 전력을 생산, 저장 및 배분할 수 있는 분산 전력 시스템을 의미합니다. 전통적인 중앙집중형 전력망과는 달리, 마이크로그리드는 독립적으로 운영될 수 있으며, 주로 태양광, 풍력, 바이오매스와 같은 재생에너지를 활용합니다. 이러한 시스템은 필요할 때 전력을 생산해 설비에 공급하거나 필요시 전체 전력망에 연결될 수 있는 기능을 갖추고 있습니다. 과거에는 마이크로그리드가 소규모 응용에 사용되었지만, 최근에는 대규모 데이터센터처럼 전력 수요가 많은 시설에서도 주목받고 있는 상황입니다.

• 마이크로그리드는 특히 전력망 장애나 긴급 상황 시에도 안전하게 작동할 수 있는 큰 장점이 있습니다. 이를 ‘아일랜딩(islanding)’이라고 하는데, 이는 마이크로그리드가 외부 전력망과 분리되어도 자체적으로 전력을 공급할 수 있도록 하는 기능을 말합니다. 예를 들어, 학교나 병원과 같은 중요 시설에서는 전력 공급이 중단되면 심각한 영향을 받을 수 있기에, 마이크로그리드를 통해 지속적인 전력 공급이 가능해집니다.

• 4-2. 재생에너지의 활용 사례

• 마이크로그리드에서 재생에너지를 활용하는 대표적인 예로는 태양광 발전과 풍력 발전이 있습니다. 많은 데이터센터가 이러한 재생에너지를 통합하여 운영 비용을 절감하며 탄소 배출량을 줄이고 있습니다. 예를 들어, 구글은 마이크로그리드를 활용해 자사의 데이터센터에 필요로 하는 전력을 지속적으로 관리하고 있으며, 이는 에너지 효율성 향상 뿐만 아니라 지속 가능성 목표를 달성하는 데 기여하고 있습니다.

• 또한, 데이터센터의 에너지 소비를 최적화하고 안정적인 전력 공급을 보장하기 위해 마이크로그리드의 배터리 저장 시스템을 접목하는 사례도 증가하고 있습니다. 이렇게 되면 재생에너지원으로부터 생산된 전력을 저장했다가 필요할 때 사용함으로써, 에너지 자원의 활용도를 높일 수 있습니다. 예를 들어, 데이터센터에 설치된 솔루션들은 소프트웨어를 통해 에너지 소비를 실시간으로 모니터링하고 조절해 줄 수 있으며, 이로 인해 운영 비용의 효율성이 크게 개선되고 있습니다.

5. 빅테크 기업의 지속가능성 전략

• 5-1. AI와 기후변화 대응

• 최근 빅테크 기업들은 AI 기술을 활용하여 기후변화에 대응하기 위한 다양한 전략을 추진하고 있습니다. 이러한 기업들은 인공지능(AI)을 통해 기후모델을 발전시키고 있으며, 이를 통해 기후변화의 영향을 예측하고 완화하는 데 큰 역할을 하고 있음을 알리고 있습니다. 그러나 AI 기술의 발달이 동시에 데이터센터의 전력 소모와 온실가스 배출을 증가시키며, 이에 대해 비판을 받고 있습니다. 특히, 마이크로소프트, 구글, 엔비디아 등은 AI 데이터센터의 수를 급격히 늘려온 상황에서, AI 기술이 기후변화에 미치는 긍정적인 영향과 사용되는 자원에 대한 균형을 잡아야 하는 과제를 안고 있습니다. 이와 관련하여, AI 데이터센터가 올바르게 운영될 경우, 기후변화 대응에 기여할 수 있는 중요한 도구로 자리잡을 수 있습니다. 예를 들어, AI 기술을 통해 기후모델을 더욱 정확하게 예측하고 대처할 수 있는 자료를 제공하는 방법이 있습니다. 구글에서 개발한 뉴럴GCM은 AI를 기반으로 한 기상 예측 모델로, 물리 기반 모델보다 더 높은 정확도를 자랑합니다. 이처럼 AI 활용 모델들은 기후관측의 정확성을 높이고, 효과적인 대응 전략을 마련하는 데 기여할 수 있습니다.

• 5-2. 온실가스 배출 감소를 위한 노력

• 빅테크 기업들은 탄소 배출량을 줄이기 위해 여러 가지 노력을 기울이고 있습니다. 이들은 재생에너지원의 사용을 늘리고, 에너지 효율성을 높이며, 탄소 배출을 최소화하기 위한 다양한 프로젝트를 시행하고 있습니다. 예를 들어, 아마존, 마이크로소프트, 구글 등 주요 기업들은 총 50GW 규모의 재생에너지 전력 구매 계약(PPA)을 체결하였습니다. 이는 스웨덴 전체의 전력 발전 용량과 맞먹는 수준으로, 이러한 노력이 지속된다면 온실가스 배출 저감에 긍정적인 영향을 미칠 것입니다. 또한, 데이터센터 운영 방식에서도 변화가 필요합니다. 많은 기업들이 데이터센터의 탄소 발자국을 줄이기 위해 클라우드 기술을 활용하고 있으며, 냉각 및 전력 사용 측면에서도 더욱 지속 가능한 방식으로 전환하는 노안을 하고 있습니다. 하지만 이러한 노력에도 불구하고 데이터센터 배출량이 여전히 증가하는 추세라는 점에서, 보다 강력하고 진정한 변화를 이끌어내기 위한 지속적인 관심과 노력이 필요합니다. 결론적으로, 빅테크 기업들은 AI 기술과 지속 가능한 에너지 사용의 결합을 통해 기후변화에 대응하는 방향으로 발전하고 있습니다. 그러나 이러한 과정이 기후변화 문제를 해결하는 데 단지 도구로 기능하기 위해서는 양측면의 영향을 모두 인지하고, 투명하게 관리해야 할 필요가 있습니다.

6. 미래 전망과 청정에너지 전환의 필요성

• 6-1. 전력 수요 예측

• 최근 데이터 센터의 급속한 증가는 AI 기술, 클라우드 서비스 및 고성능 컴퓨팅과 같은 혁신의 발전과 밀접한 연관이 있습니다. 국제 에너지 기구(IEA)의 보고서에 따르면, 글로벌 데이터 센터의 전력 소비량은 2022년에는 약 240~340TWh에 달하며, 이는 전체 전력 사용량의 1~1.3%를 차지하고 있습니다. 그러나 데이터 센터의 전력 소비량은 매년 20~40%가량 증가하고 있으며, 이 추세가 계속된다면 2026년까지 데이터 센터 관련 전력 사용량이 2022년 대비 2배로 증가할 것이라고 전망되고 있습니다. 이러한 급증하는 전력 수요는 기존 전력 인프라에 큰 부담을 주며, 장기적으로는 전력 공급의 안정성을 위협할 수 있습니다.

• 특히 AI 데이터 센터는 기존의 데이터 센터보다 6배 이상의 전력을 소요하는 것으로 알려져 있습니다. 마이크로소프트와 같은 빅테크 기업들은 데이터 센터를 통해 급증하는 전력 수요를 맞추기 위해 새로운 발전소 건설과 같은 대책을 마련해야 할 것입니다. 예를 들어, 마이크로소프트는 아마존과 함께 15년간 1, 500억 달러를 투자하여 새로운 데이터 센터를 구축할 계획을 세우고 있습니다. 이러한 대규모 투자와 함께 데이터 센터의 전력 수요가 지속적으로 증가한다면, 청정 에너지원의 필요성이 더욱 커질 것입니다.

• 6-2. 청정에너지 정책의 중요성

• 청정에너지 정책은 데이터 센터의 전력 수요 증가에 대응하기 위한 필수적인 방안으로 여겨집니다. 미국 에너지부는 2050년까지 원자력 발전 용량을 현재의 100GW에서 300GW로 증가시켜야 한다고 분석하고 있습니다. 이는 넷 제로 목표를 달성하기 위한 최소한의 청정 고정 발전 용량이 필요하며, 원자력 에너지가 그중 중요한 비율을 차지해야 한다는 의미입니다.

• 원자력 에너지는 안정적이고 지속 가능한 전력을 제공할 수 있으며, 탄소 배출이 없는 특성을 가지고 있어 데이터 센터의 지속 가능성을 향상시키는 데 기여할 수 있습니다. 빅테크 기업들은 이러한 청정 에너지를 확보하기 위해 여러 방안을 모색하고 있으며, 메가와트 단위의 대규모 데이터 센터를 운영하기 위해 새로운 원전이나 마이크로그리드 설치를 검토하는 등 구체적인 솔루션을 제안하고 있습니다.

• 또한, 마이크로그리드는 특정 지역에서 자체적으로 전력을 생산하고, 필요 시 독립적으로 운영될 수 있는 시스템으로 데이터 센터에 안정적인 전력 공급을 제공할 수 있는 가능성을 갖고 있습니다. 이러한 청정 에너지원과 기술적 접근은 데이터 센터 운영의 탄소 발자국을 줄이고, 환경적 지속 가능성을 높이는 데 긴요합니다. 따라서 청정에너지 정책의 추진은 단순히 경제적 편익을 넘어서, 환경보호와 지속 가능한 발전을 위해서도 필수적입니다.

결론

• 데이터센터의 전력 수요 증가는 단순히 현재의 문제가 아니라, 미래 지속 가능성을 보장하는 데 중요한 영향을 미치는 사안입니다. AI 기술이 선도하는 디지털 혁신의 발전이 데이터센터의 전력 소모를 증가시키고 있다는 점에서, 이 문제에 대한 심층적이고 체계적인 분석이 필요합니다. 다시 말해, AI 데이터센터가 기후변화에 기여하지 않기 위해서는 지속 가능한 에너지 전환이 필수적입니다.

• 원자력과 마이크로그리드는 이러한 에너지 전환에 있어 중요한 역할을 할 것이며, 청정에너지원으로서 기여할 수 있는 잠재력이 큽니다. 특히, 원자력발전은 탄소 배출이 없고 안정적인 전력 공급을 보장하는 데 필요한 해결책을 제시할 수 있습니다. 데이터센터 운영자들은 이러한 청정에너지원의 도입을 통해 에너지 소모를 최소화하고 지속 가능한 운영 방안을 마련할 수 있을 것입니다.

• 향후 정책적 지원과 함께 청정에너지로의 전환이 적극적으로 추진된다면, 이는 기업의 비용 절감뿐 아니라, 환경적 지속 가능성을 도모하는 데에도 중대한 기여를 하게 될 것입니다. 결국, 탄소 배출량 최소화와 온실가스 배출 감소를 위한 노력은 데이터센터뿐 아니라, 사회 전반에 걸쳐 지속 가능한 미래를 위한 필수 불가결한 요소로 자리잡게 될 것입니다.

용어집

• AI 데이터센터 [기술]: 인공지능(AI) 기술을 기반으로 하는 데이터센터로, 대량의 데이터를 처리하고 학습하기 위해 막대한 컴퓨팅 리소스를 활용하여 전력 소모가 급증하는 경향이 있다.

• 원자력발전 [에너지]: 핵반응을 통해 안정적이고 지속 가능한 전력을 제공하는 방식으로, 데이터센터의 전력 수요를 충족시키는 데 중요한 청정에너지원 중 하나이다.

• 마이크로그리드 [에너지]: 특정 지역 또는 커뮤니티에서 자립적으로 전력을 생산, 저장 및 배분할 수 있는 분산 전력 시스템으로, 재생에너지를 활용하여 데이터센터의 지속적인 전력 공급을 지원할 수 있다.

• 탄소 배출 [환경]: 화석연료의 연소나 산업 활동을 통해 발생하는 이산화탄소의 방출로, 기후 변화의 주요 원인 중 하나로 여겨진다.

• 재생에너지 [에너지]: 자연적으로 지속적으로 재생되는 에너지 자원으로, 태양광, 풍력, 바이오매스 등이 이에 해당하며 데이터센터 운영에서 환경적 지속 가능성을 높이는 데 기여한다.

• AI 기술 [기술]: 데이터를 분석하고 처리하여 자동으로 학습하고 예측하는 컴퓨터 시스템의 기술로, 기후변화 대응 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

• 클라우드 서비스 [기술]: 인터넷을 통해 데이터 저장 및 관리, 컴퓨팅 자원 등을 제공하는 서비스로, 데이터센터의 전력 소비 증가와 직결된다.

출처 문서

• 미국 데이터센터가 촉발한 전력 수요 급증, 원전·마이크로그리드에 주목https://dream.kotra.or.kr/kotranews/cms/news/actionKotraBoardDetail.do?SITE_NO=3&MENU_ID=180&CONTENTS_NO=1&bbsGbn=243&bbsSn=243&pNttSn=220745
• #272 '에너지 흡입기', 데이터센터🔌🚰https://weeklyearth.stibee.com/p/273/
• 빅테크 'AI 기후대응'에 총력, 데이터센터 온실가스 배출 만회 증명할까https://www.businesspost.co.kr/BP?command=article_view&num=367482