서울·수도권에서 전력 공급 확보와 인허가가 가장 큰 제약으로 떠오르고 있다. 한국전력공사의 데이터센터 전기공급 현황에 따르면, 2023년 12월 말 기준으로 국내 총 150개 데이터센터에서 1986MW(메가와트)의 전력이 공급 중이다. 수도권(서울·인천·경기)에는 70.6%가 밀접해 있다.

한국전력이 신규 전력을 공급하기까지는 사전 작업만 보통 수개월~1년 이상 걸린다. 이에 대규모 시설의 에너지 효율 기준 충족이 요구된다. 정부는 공급 제약 완화를 위해 ‘국가기간 전력망 확충 특별법’까지 마련하여 전력망 가동시간 확보, 계약 철회 권한 부여 등 제도를 손봤지만, 수도권 집중 수요는 근본적인 해결책을 제시하지 못하고 있다. 이에 첨단 산업의 성장과 맞물린 전력 인프라 부족과 규제 리스크, 기술적 한계 등이 아시아태평양 지역의 전력 규제 및 가용성 문제와 함께 성장의 주요 장애요인으로 부상하고 있다.

전 세계의 인공지능(AI) 확산에 따라 데이터센터 전력 사용이 빠르게 증가하면서 국내의 데이터센터 용량도 2029년까지 두 배 이상 확대될 전망이다. 특히 AI 데이터센터는 랙(rack)당 40~100kW 수준의 고밀도 전력을 요구해 기존 시설대비 전력 수요 급증을 초래한다.

 

◇AI 전력 소비와 관련한 주요 위험 요소 살펴보니

그렇다면 AI가 왜 전력을 많이 소비하게 되는 지를 살펴봐야 한다. 첫 번째 이유는 ‘데이터센터 전력 폭증’이다. AI 확산으로 데이터센터 전력 사용량은 2022년 460TWh에서 2026년 1050TWh로 2배 이상 증가할 것으로 전망되고 있다. 이는 일본의 전체 연간 전력 소비량과 맞먹는 수준이다.

 

두 번째는 ‘학습과 추론 과정의 고전력 소모’다. 오픈AI의 챗GPT-3 같은 초거대 모델 학습에는 1.3GWh가 필요한데, 이는 약 10만 가구 하루 전력 사용량과 비슷하다. 특히 이미지 생성 등과 같은 작업은 텍스트 질의보다 10배 이상 많은 전력을 소모한다.

세 번째는 ‘냉각 및 인프라 부담’이다. GPU 병렬 연산으로 발생하는 열을 식히기 위해 냉각 장치가 추가 전력을 소비한다. 냉각수 사용과 열 배출은 지역 환경에도 부담을 주게 된다. 네 번째는 ‘탄소 배출 및 기후변화 악화’다. AI 전력 수요가 화석연료 기반일 경우 온실가스 배출이 급증할 수 있다. 실제로 구글과 마이크로소프트는 생성형 AI 경쟁으로 인해 탄소배출량이 각각 50%, 30% 증가했다.

다섯 번째는 ‘사회적 비용과 전력망 압박’이다. 미국 데이터센터는 2023년 전체 전력의 4%를 사용했으며, 2030년에는 9%까지 늘어날 것으로 추정된다. 이는 전력망 증설 부담, 전력 도매가 상승, 지역 경제 압박도 뒤따르게 된다.

한국IDC에 따르면, 지난해 우리나라의 전체 데이터센터 전력 소비는 약 4461MW 수준이며, 이는 국내 전체 전력 소비의 약 3~4%를 차지한 것으로 분석되고 있다. 오는 2028년까지 6175MW로 40% 이상 증가할 것으로 전망되고 있다.

‘전체 전력 소비 대비 비중’을 살펴보면, 2024년 한국 전체 전력 소비량은 약 130GW 수준이었다. 이 가운데 데이터센터 전력 소비(4461MW)는 전체의 약 3.4%에 해당한다. 국제에너지기구(IEA) 자료에 따르면, 2024년 전 세계 데이터센터의 평균 전력 소비는 전체의 1.5% 수준인 것에 비해 우리나라는 상대적으로 높은 비중을 차지했다. 이는 AI 확산에 따른 전력망 부담과 기후 문제에서 중요한 경고 신호로 볼 수 있다.

이 같은 여러 요인을 종합해 볼 때 AI의 사용량 확대는 전력량 사용에도 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 특히 국내 데이터센터 전력 수요는 매년 11% 이상 증가하고 있어, 2030년에는 전체 전력의 5~6%까지 확대될 가능성이 있다. 부족한 에너지를 친환경 에너지인 재생에너지로 충당하는 데는 한계가 있을 것이란 분석도 나온다.

 

현재 국내 데이터센터는 대부분 화석연료 기반 전력망에 의존하고 있어 RE100(Renewable Energy 100, 2050년까지 기업이 필요한 전력량의 100%를 친환경 재생에너지원을 전력으로 사용하겠다는 자발적인 재생에너지 이니셔티브) 달성에 어려움이 크다. 이밖에도 수도권에 집중된 수많은 데이터센터로 인해 송전망 과부하와 지역 전력 불균형 문제가 불거질 수 있다는 우려도 존재한다.

 

 

◇반도체·데이터센터 동시 확장, 전력망 위기의 전조

AI 사용량의 확대는 다양한 산업군, 소비 패턴에도 적지 않은 영향을 미칠 수 있다.

 

첫 번째는 요금 상승 압력이다. AI의 사용이 급격하게 늘어나면 이를 소화하기 위한 전력망 증설 및 과부하로 인한 연결 지연이 있을 수 있다. 또 전력망 증설로 인한 수도권의 토지·공급 비용 상승, 고효율·냉각 솔루션 의무화 확대가 건설·운영비를 높여 요금 전가 가능성도 제기된다.

두 번째는 정전·과부하 위험이다. 수도권은 가용 부지 및 공급 제약으로 대형 전력 수요가 급격하게 늘어날 경우 국지적 과부하 위험이 커질 수 있다. 다행히 한국전력의 공급 확인 지연과 허가 절차 강화는 무분별한 증설을 억제하는 역할을 한다. 다만 수요가 특정 변전·송전 구간에 몰리면 계통 스트레스가 커질 수 있고, 안전사고로 이어질 가능성도 있다.

산업별로 상대적인 영향도 부담된다. 국내에서는 반도체 공장이 데이터센터보다 훨씬 큰 전력을 소비하고 있어 반도체 공장과 데이터센터가 동시에 확장하게 되면 계통 부담이 증폭될 수 있다. 데이터센터에서 소비하는 전력은 향후 꾸준히 급격하게 증가할 전망이다. 특히 이미지·영상 AI는 텍스트형보다 수십 배 전력을 소모하는 만큼 위험 부담이 클 수밖에 없다.

지난해 국내 데이터센터 전력 수요는 4461MW였으며, 오는 2028년에는 6175MW로 40% 이상 증가할 것으로 전망(한국IDC 보고서)되고 있다.

 

지난해 우리나라 전체 전력 소비량은 130GW(130,000MW) 수준이었다. 데이터센터 소비량 4461MW는 전체 전력 수요의 약 3.4%에 해당하는 수치다. IEA에 따르면 지난해 전 세계 데이터센터 전력 소비는 전체 전력 소비의 1.5% 수준임을 고려할 때 우리나라는 데이터센터 전력 소비의 비중이 상대적으로 높다.

국내 데이터센터 전력 수요는 매년 평균 10% 이상 증가하고 있다. 오는 2030년에는 전체 전력의 5~6%까지 확대될 가능성이 있다. 재생에너지로 부족한 전력을 충당하기에는 한계가 있다는 얘기다. 현재 국내 데이터센터는 대부분 화석연료를 기반으로 한 전력망에 의존하고 있어 정부의 RE100 목표를 달성하기에는 어려움이 있는 것으로 예측돼 전력망 부담도 문제로 떠오르고 있다.

 

현재 우리나라의 데이터센터는 수도권에 집중되어 설치돼 있다. 따라서 수도권에 과밀한 데이터센터가 전국 각지로 전력을 송전하는 데는 송전망 과부하의 문제가 발생할 수 있으며, 지역간 전력 불균형 문제가 심화될 가능성도 있다. 또 AI·클라우드 확산은 전력망 부담과 함께 기후 대응 과제에서 중요한 경고 신호가 될 수 있다.

 

 

◇효율적인 전력 소비를 위한 근본적인 해결책은

AI 기능 확대와 함께 급속도로 확산되는 전력소비에 전문가들은 다양한 해결책을 내놓고 있다. 첫 번째는 ‘저전력 AI 반도체 도입’이다. 기존 GPU를 대신해 AI 전용 반도체를 활용해 전력 효율을 높이는 방안이다. 삼성전자와 SK하이닉스의 저전력 메모리, 리벨리온의 차세대 AI 칩 등이 좋은 사례다. 이는 병렬 연산 최적화가 적용돼 동일 성능을 제공하면서도 전력 소모를 크게 줄일 수 있다.

 

두 번째는 ‘AI 모델의 경량화’다. 초대형 모델 대신 소형·최적화 모델을 활용해 연산량을 줄일 수 있다. 올해 8월에 공개된 구글 딥마인드는 초소형 AI 모델인 감마3(Gemma3 270M)로 스마트폰에서 25회 대화를 할 때 배터리 소모가 0.75%에 불과한 것으로 알려졌다.

세 번째는 ‘데이터센터 효율화’다. 액체 냉각, 자연 냉각 등으로 냉방 전력을 절감해 냉각 시스템을 최적화한다. 또 데이터센터를 기후가 서늘한 지역에 설치해 자연환경을 활용한 냉각 비용 감소도 하나의 방법이 된다. 네 번째는 ‘친환경 에너지 전환’이다. 태양광, 풍력, 수력 등 재생에너지의 확대, 소형모듈원전(SMR) 도입도 예시가 된다. 구글, 애플, GM, 이케아 등 글로벌 기업은 RE100 의지에 발맞춰 원자력·재생에너지 확보에 발빠르게 나서고 있다.

마지막은 ‘AI 활용을 통한 에너지 절감’이다. AI를 전력망 관리, 냉난방 최적화, 교통흐름 개선 등 사회 분야별 곳곳에 적용해 산업별로 에너지 효율을 높이는 방안이 제시된다.

 

 

◇통신 3사, AI 시대 전력 효율화 운영 노하우는

SK텔레콤과 KT, LG유플러스 등 통신 3사는 AI 데이터센터 확장 과정에서 전력 효율화와 친환경 냉각 기술을 핵심 전략으로 삼고 있다. 특히 액체 냉각, 액침 냉각, 하이브리드 냉각 등 신기술을 적극적으로 도입하며 전력 소모를 줄이고 안정성을 높이는데 주력하고 있다.

먼저 SK텔레콤은 AWS(아마존웹서비스)와 협력해 울산에 국내 최대 하이퍼스케일 AI 전용 데이터센터를 건설해 'AI 인프라 수퍼 하이웨이' 거점을 확보할 계획이다. SKT와 AWS는 올해 8월 29일에 울산에서 기공식을 개최하기도 했다.

SKT는 공기 냉각과 수랭식을 병행한 하이브리드 냉각 기술을 도입해 에너지 효율과 안정성을 동시에 확보하고 있다. 하이브리드 냉각 시스템은 팬을 사용하는 공냉식과 액체 냉각 방식인 수냉식을 함께 적용해 서버의 열을 빠르게 분산·제어할 수 있다. 또 서버 랙을 밀도 높게 배치한 뒤, 공기와 액체를 순환시켜 발열을 효과적으로 해소한다. 이는 기존 공랭식만으로는 한계가 있는 AI 서버의 고출력·고발열 환경에 최적화되어 있다.

SKT는 2027년 40MW 출력으로 시작해 2029년까지는 100MW, 이후에는 1GW 이상 확장을 목표로 밝혔지만, 공식 수치는 나오지 않았다. 1단계는 2027년 11월에 운영을 시작하며, 40MW급 데이터센터 가동과 함께 GPU 서버 6만장 이상을 투입할 예정이다. 2029년 2월로 예상된 2단계 운영은 103MW로 출력 확장과 함께 전체 AI 전용 데이터센터 완공을 목표로 한다. 장기적으로는 1GW 이상 처리 능력 및 GPU 6만장 이상 확보할 계획이다.

KT는 올해 11월 5일에 서울 가산동에 국내 최초 액체 냉각 기술이 적용된 '가산 AI 데이터센터'를 개소했다. 가산 AI 데이터센터는 총 수전 용량 40MW, IT 용량 26MW를 갖췄다. 가산 센터는 Direct-to-Chip(D2C) 방식으로 GPU 칩에 냉각판을 직접 부착, 냉수를 순환시켜 발열을 억제하는 방식을 도입했다.

또 AI 연산에 최적화된 고집적·초고집적 존(ZONE) 중심의 전용 공간을 설계했고, 전력 및 통신 인입의 이중화 설계로 시스템 안정성을 강화했다. 전기가 끊겼을 때를 대비해 IT 용량 100% 기준으로 24시간 무정전 전원 공급이 가능하도록 설계했다. 기존 공기 냉각 대비 냉각 효율을 40% 높이고, 전력 소비는 15% 줄이는 효과를 낼 수 있다. 현재 KT는 전국에 15개 데이터센터를 운영하며, 이 센터에서 출력되는 총 전력 용량은 약 162MW로 알려졌다.

LG유플러스는 경기 파주 월룡 LCD 일반산업단지에 약 6156억원을 투자해 50MW 규모 AI 전용 데이터센터 건설 중이며, 2027년 준공을 목표로 하고 있다. LG유플러스의 AI 데이터센터는 초고성능 GPU 서버 운영에 중점을 둔 AI 연산 특화 데이터센터로 설계되는 데, 액침냉각과 액체냉각 등 차세대 열 관리 기술을 적용해 GPU 운영 효율을 극대화할 계획이다.

LG유플러스는 평촌, 논현, 상암, 가산 등 기존에 소유하고 운영 중인 12개 데이터센터와 연계해 하이퍼스케일급 AI 연산 환경을 구축할 계획이다. 특히 평촌메가센터는 연면적 8만5547㎡, 수전용량 16만5000kW로 국내 최대 규모 데이터센터 중 한 곳이다. LG유플러스가 운영하는 전국 데이터센터의 전력 용량은 약 160MW에 달한다.

 

◇ 통신3사, 전력·냉각 효율 확보를 핵심 과제로 

통신3사의 전력 효율화 움직임은 AI 수요와도 밀접하다. AI 기능이 스마트폰에 기본 적용되고 AI 연산 수요가 폭증하면서 GPU 기반 초대형 데이터센터 필요성이 증가됐다. 올해를 기준으로 통신3사에서 사용한 데이터센터 전력 용량은 총 459MW로 국내 전체 전력의 약 30% 차지했다. 통신사들은 오는 2028년까지 합계 600MW 이상 사용 용량 확대 계획을 세우며, 전력·냉각 효율 확보를 핵심 과제로 부각하고 있다.

 

현재 정부와 통신사 측은 전력 공급의 안정성과 함께 데이터센터 신규 건립에 따른 부지 내 주민 수용성, 규제 합리화를 함께 논의 중인 것으로 알려졌다.