AI 데이터센터에 연료전지로 전기를 공급하고 연료전지와 서버에서 발생하는 열을 이산화탄소 포집과 전기 생산에 재활용하면 기존 방식보다 총비용을 약 48%, 온실가스 배출량을 최대 72% 줄일 수 있다는 분석 결과가 나왔다.
UNIST 탄소중립대학원 임한권 교수팀은 고체산화물 연료전지를 데이터센터의 전력원으로 사용하고 발전과 냉각 과정에서 발생하는 열을 재활용하는 통합 에너지 시스템을 고안해 경제성과 전 과정 온실가스 배출량을 분석한 결과 이같이 나타났다고 15일 밝혔다.
데이터센터는 수많은 서버를 24시간 가동하기 때문에 대규모 전력을 안정적으로 공급받아야 한다. 연구팀은 천연가스로 전기를 생산하는 고체산화물 연료전지(SOFC)를 데이터센터 인근에 설치해 전력을 직접 공급하는 방식을 적용했다. 필요한 용량만큼 모듈을 늘려 전력 수요 증가에도 대응할 수 있다.
연구팀이 제안한 통합 에너지 시스템은 연료전지에서 발생하는 열을 이산화탄소 포집에 활용한다. 고체산화물 연료전지는 발전 효율이 높은 대신 이산화탄소와 고온의 열을 배출하는데, 이산화탄소를 특수 액체로 흡수한 뒤 연료전지에서 나온 열로 액체를 가열해 이산화탄소를 분리하고 액체를 재사용하는 방식이다.
서버에서 발생하는 열은 전기 생산에 활용한다. 서버를 식힌 냉각수의 열로 특수 냉매를 증발시키고, 발생한 증기로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 유기 랭킨 사이클(ORC) 방식이다.
연구팀은 GPU 2만 개 규모의 데이터센터를 가정해 전력 공급원과 냉각 방식, 탄소 포집 여부에 따른 8가지 조합을 한국과 미국, 유럽연합(EU)의 에너지 가격과 전력 생산 구조를 반영해 분석했다.
분석 결과 고체산화물 연료전지와 탄소 포집, 유기 랭킨 사이클 냉각을 결합한 통합 시스템은 비용과 온실가스 배출량을 종합적으로 평가했을 때 다른 조합보다 전반적으로 높은 순위를 차지했다.
유기 랭킨 사이클 냉각은 한국과 미국, 유럽 모두에서 경제성과 환경성이 우수한 것으로 나타났다. 연간 냉각 비용에 들어가는 전력 비용을 최대 1900만 달러 줄일 수 있었으며, 전력 생산량 감소에 따라 온실가스 배출량도 연간 약 8만~15만 톤 감소하는 것으로 분석됐다.
EU 배출권거래제처럼 탄소 배출에 비용을 부과하는 제도를 고려하면 온실가스 배출 감소를 통해 연간 약 500만~1000만 달러의 탄소 배출 비용도 줄일 수 있는 것으로 나타났다.
전력 공급 방식의 경제성은 지역별로 차이가 있었다. 천연가스 가격이 저렴한 미국에서는 고체산화물 연료전지가 경제적이었지만, 천연가스가 비싼 한국에서는 비용을 우선할 경우 기존 전력망을 이용하는 방식이 유리했다.
이동현 연구원은 “AI 데이터센터가 늘면서 전력 공급과 냉각에 드는 에너지, 탄소 배출을 함께 고려해야 한다”며 “이번 연구는 전력 공급과 폐열 활용, 탄소 포집을 하나의 시스템으로 묶어 평가했다는 데 의미가 있다”고 설명했다.
임한권 교수는 “데이터센터에 적합한 에너지 시스템은 지역별 에너지 가격과 전력 생산에 따른 탄소 배출량에 따라 달라진다”며 “이번 연구는 데이터센터의 규모와 지역 여건에 맞춰 비용과 탄소 배출을 줄이는 에너지 시스템 설계와 ESG 전략 수립에 도움이 될 것”이라고 말했다.
헬로티 이동재 기자 |
