1. 서 론

최근 인공지능(AI), 클라우드 컴퓨팅, 고성능 컴퓨팅(HPC), 디지털 전환 산업의 급격한 성장으로 인해 데이터센터 수요가 지속적으로 증가하고 있다.⁽¹⁾ 국제에너지기구(IEA)에 따르면 2022년 전 세계 데이터센터의 전력 소비량은 약 460 TWh로 전체 전력 사용량의 약 2%를 차지하였으며, 2026년에는 620~1,050 TWh에 이를 것으로 전망된다.⁽²⁾ 이는 일본의 연간 전력 소비량에 근접하는 규모이다. 특히 데이터센터 밀집도가 높은 아일랜드의 경우, 2022년 전력 소비 비중이 17%에서 2026년 32%까지 상승할 것으로 예상하면서 신규 데이터센터 건설이 제한되고 있다. 아이슬란드, 싱가포르 등 주요 국가들 또한 급격한 전력 수요 증가에 대응하기 위해 데이터센터 신설 규제를 강화하고 있다.⁽³⁾

대한민국 역시 유사한 추세를 보이고 있다. 한국데이터센터연합회에 따르면, 2024년 기준 국내 데이터센터 총 설비용량은 약 1.08 GW에 달하며, 2030년까지 2 GW 이상으로 확대될 전망이다. 2023년 현재 약 150개 데이터센터가 운영 중이며, 2029년까지 약 732개의 신규 데이터센터가 추가 건립될 것으로 예상된다.⁽⁴⁾ 이 과정에서 수도권을 중심으로 초대형 데이터센터 건설이 활발히 진행되는 동시에, 지방 분산형 데이터센터 신축도 병행되고 있다. 또한 생성형 AI의 상용화와 빅데이터 기반 서비스 확산으로 글로벌 IT 기업, 국내 대형 통신사, 해외 투자사 등이 적극적으로 진출하면서 데이터센터는 국가 경쟁력과 직결되는 핵심 기반시설로 자리매김하고 있다.^(5,6)

한편, 국내에서는 집단에너지사업법⁽⁷⁾에 따라 일부 지역에서 지역열원을 활용한 냉동기 설치가 의무화되어 있다. 이로 인해 전기식 냉동기와 흡수식 냉동기 중 어느 시스템이 경제성과 안정성 측면에서 더 적합한지에 대한 논의가 지속되고 있다. 특히 중온수 흡수식 냉동기는 낮은 성적계수(COP: Coefficient of Performance)와 많은 냉각수 사용량과 이에 따른 대구경 배관 설치로 인한 운영비 및 초기 투자비 증가 등으로 적용 타당성에 대한 우려가 제기된다. 실제로 국내 다수의 데이터센터는 지역열원 의무사용 고시 지역임에도 불구하고, 예외 적용을 인정받아 전기식 냉동기를 채택한 사례가 다수 있다. 그러나 기존 논의는 개별 사례 중심에 머물러 있어, 두 시스템의 경제성을 정량적으로 비교한 기술적인 평가 사례는 공식적으로 없는 것이 현실이다.

본 연구는 앞으로 증가하는 데이터센터의 수요에 따라서 집단에너지 의무사용 지역 내 사업이 진행되는 사례가 증가할 것으로 판단됨으로 보다 객관적인 기술적인 데이터를 통한 접근으로 합리적인 판단기준과 빠른 의사결정을 할 수 있도록 하는 것이 목적이다. 해당 기술논문은 집단에너지 의무사용 지역인 인천에 건립을 추진 중인 40 MW급 AI 데이터센터의 사례를 대상으로 국한한다. 데이터센터의 냉각 시스템으로 전기식 냉동기와 중온수 흡수식 냉동기 시스템의 연간 운영비(OPEX)와 초기 투자비(CAPEX)를 산정하여 이를 통해 두 시스템의 경제성을 평가하고, 향후 동일 상황의 데이터센터 냉각 시스템의 설계 및 의사결정에 효과적으로 기여하고자 한다.

2. 대한민국 집단에너지 공급 지정 현황

대한민국 정부는 에너지 효율 향상과 온실가스 감축을 목표로 집단에너지사업법을 제정․시행하고 있으며, 이에 따라 일정 지역에서는 집단에너지 사용이 의무화되고 있다. 이 제도는 주거지역뿐만 아니라 산업단지, 대형 상업시설, 그리고 최근 급증하는 데이터센터와 같은 대규모 에너지 수요처까지 포함한다.

지역냉난방 의무고시 지역의 신축․증설 데이터센터는 냉방 또는 난방 시스템 구축 시 지역열원을 필수적으로 활용해야 한다. 이러한 제도는 에너지 이용 효율 제고, 분산형 에너지 시스템 확산, 균형 잡힌 에너지 인프라 구축을 목적으로 한다. 한국에너지공단 2024년 집단에너지 사업편람에 따르면, 국내 집단에너지 공급 지정 현황은 지역별로 큰 차이를 보인다.⁽⁸⁾ Table 1은 시․도별 공급지정 개수, 총 지정 면적, 그리고 의무 비율을 정리한 것이다. 여기서 의무 비율은 해당 지역 내 건축 가능 용지는 국토교통부 2024년 국토이용 현황에서 정의하는 지목 중 대지․공장용지․창고용지의 합에 대한 집단에너지 공급지정 면적의 비율을 의미한다.⁽⁹⁾ 이는 신축 시설 중 집단에너지 용 의무가 적용되는 면적의 비중을 반영하여, 제도의 실제 적용 강도를 파악할 수 있도록 한다.

Table 1. Status of designated district energy supply areas by region in Korea

Region	Mandatory area (m2)	Mandatory ratio	Status of designated district energy supply areas
Seoul	25,932,000	11%
Incheon	94,043,000	40%
Busan	25,619,000	15%
Daegu	10,871,000	7%
Gwangju	5,293,000	6%
Daejeon	16,746,000	19%
Ulsan	6,729,000	5%
Gyeonggi-do	385,417,000	31%
Gangwon-do	3,213,000	1%
Chungcheongbuk-do	7,672,000	2%
Chungcheongnam-do	120,717,000	20%
Gyeongsangbuk-do	4,511,000	1%
Gyeongsangnam-do	21,109,000	4%
Jeollabuk-do	26,295,000	7%
Jeollanam-do	12,814,000	2%
Jeju-do	0	0%

집단에너지 공급지정은 수도권에 집중되는 경향이 뚜렷하다. 경기도는 97개소로 가장 많은 공급지정을 기록하였으며, 인천광역시는 94,043,000 m²의 공급지정 면적을 바탕으로 40%라는 가장 높은 의무 비율을 보였다. 반면 강원도, 전라남도, 경상북도 등 일부 지역은 지정 개수와 면적이 상대적으로 낮으며, 제주특별자치도는 공급 지정 사례가 없다. 이는 지역별 개발 규모와 에너지 수요 특성이 공급 지정 현황에 직접적으로 반영된 결과라 할 수 있다.

한편, Table 2를 보면, 지역냉난방 의무사용 구역 내 데이터센터라 하더라도 예외 적용 사례가 다수 존재한다. 지역냉수가 바로 공급되는 일부 지역을 제외하고는 대부분의 데이터센터는 전기식 냉동기를 주된 냉각 시스템으로 채택하고 있다. 이는 중온수 공급량의 한계와 대규모 냉방 부하 요구에 기인하며, 산업통상자원부와 지역난방 공급업체 간 협의를 통해 전기식 냉동기 사용이 허용된 다수의 사례가 있다. 이러한 사례는 제도의 법적 의무에도 불구하고, 실제 현장에서는 공급 여건과 수요 특성에 따라 운영 방식이 상이함을 보여준다.

Fig. 1. Flow diagram of two data center cooling systems.

이에 따라 집단에너지 의무제도는 제도의 취지와 현실 사이에서 일정한 간극을 내포하고 있다. 특히 데이터센터의 대규모 냉방 수요와 안정적인 열원 공급 문제에서 이러한 한계가 뚜렷하게 나타난다. 이에 대응하기 위해서는 데이터센터의 수요 특성과 공급 여건을 반영한 제도적 보완이 요구된다. 궁극적으로는 집단에너지 제도의 목표인 효율성과 온실가스 감축 효과를 동시에 달성할 수 있는 실행 전략이 요구된다.

3. 냉각열원 설계조건 및 분석방법

4. 분석 결과

5. 토의: 경제성 분석

Table 10에서 전기식(ALT-1)과 흡수식(ALT-2)의 경제성을 정량적으로 비교하였다. ALT-1의 총 초기 투자비는 748억 원으로 산정되었으며, ALT-2는 1,736억 원으로 나타나 ALT-1 대비 약 232% 증가하였다. 이러한 차이는 냉동기, 냉각탑, 냉각수 펌프 등 주요 설비 용량 확대에 따른 결과로 확인되었다. 동일 냉각용량을 기준으로 ALT-2의 냉각탑 용량은 1,000 CRT에서 2,400 CRT로, 냉각수 펌프 동력은 82 kW에서 197 kW로 각각 증가하였다. 이는 ALT-2의 COP가 0.736으로 ALT-1의 COP 8.6보다 현저히 낮아 동일 부하를 처리하기 위해 더 큰 설비가 요구되었기 때문이다. 또한 ALT-2 흡수식 시스템은 냉수 환수 온도 23℃, 냉각수 환수 온도 40℃ 조건으로 운전되어야 하며, 이는 전기식 시스템의 28℃ 및 41℃ 조건에 비해 불리하여 에너지 비용이 증가하는 요인으로 작용하였다. 두 시스템의 운전비 비교는 ALT-1은 약 47억 원, ALT-2는 약 255억 원으로 산정되어 ALT-2가 ALT-1 대비 약 539% 증가하였다. 세부 항목별로는 전력 요금이 ALT-1은 약 43.7억 원, ALT-2는 약 25.6억 원으로 ALT-2가 낮게 나타났다. 그러나 중온수 사용 요금은 ALT-1에서 발생하지 않은 반면, ALT-2에서는 약 220.9억 원으로 산정되어 전체 운영비에서 가장 큰 비중을 차지하였다. 상수도 요금 역시 ALT-1은 약 3.6억 원, ALT-2는 약 8.7억 원으로 ALT-2가 약 2.4배 높게 확인되었다. 결과적으로 전력 비용 절감 효과는 중온수와 상수도 요금 증가로 상쇄되어, 연간 운영비 또한 ALT-2가 크게 높은 것으로 나타났다.

초기투자비와 운영비가 모두 높은 흡수식(ALT-2) 시스템은 경제성에서 적용성이 떨어진다. 또한 데이터센터 적용에 있어 근본적인 한계를 가지고 있다. 먼저 시스템 신뢰성 측면에서 데이터센터의 연중 무중단 운영 특성상 냉각시스템의 신뢰성은 절대적으로 중요한데, 중온수 기반 흡수식 냉동기는 외부 열원에 대한 의존성으로 인해 공급 중단 리스크가 상존한다. 이를 대비하기 위한 100% 용량의 백업 냉각시스템 설치가 필수적이다. 또한 중온수 흡수식 냉동기의 높은 냉각수 유량 요구사항이다. 전기식 냉동기 대비 약 2.4배 증가한 냉각수 유량으로 인해 냉각수 배관의 크기도 증가하며, 이에 따른 배관재 및 부속류, 특히 차단용 버터플라이밸브 비용이 기하급수적으로 증가할 것이다. 이러한 이중화 및 증설 요구사항은 초기투자비를 추가로 2배 이상 증가시키는 요인으로 작용하여 전체적인 경제성을 더욱 악화시킨다.

미래 기술 발전과의 부적합성도 중요한 제약 요소이다. AI 및 고성능 컴퓨팅 데이터센터의 확산으로 서버 발열 밀도가 급격히 증가하고 있으며, 이에 대응하기 위해 액체냉각(Liquid Cooling) 기술의 도입이 가속화되고 있다. 수냉식 시스템은 40℃ 이상의 고온 냉수로도 효과적인 냉각이 가능하여 기존 냉동기의 역할을 대체할 수 있다. 따라서 고온 냉수 활용이 제한적인 흡수식 냉동기는 미래 AI 데이터센터 냉각 기술과의 호환성 측면에서 한계를 가진다.

이러한 기술적 분석 결과, 중온수 기반 흡수식 냉동기 시스템은 초기투자비, 운영비, 시스템 신뢰성, 미래 기술 적합성 등 모든 측면에서 전기식 냉동기 시스템에 비해 불리함을 나타낸다. 따라서 대규모 데이터센터의 주 냉각 시스템으로는 한계가 있다. 다만, 안정적인 폐열원이 확보되고 백업시스템에 대한 충분한 투자가 가능한 특수한 조건에서는 냉방 용도로의 활용을 고려할 수 있을 것이다.

한편, 중온수 흡수식 냉동기는 경제성 측면에서 불리하더라도, 지역난방 인프라를 활용한다는 점에서 에너지 전환 정책과 온실가스 감축 목표 측면의 의의가 있다. 특히, 산업단지나 신도시 등 집단에너지 공급구역에서는 폐열 활용 및 열공급 네트워크 안정성 제고에 기여할 수 있으며, 이는 정부가 추진하는 분산형 에너지 확산 및 탄소중립 기반 구축 정책과도 방향을 같이한다. 따라서 본 연구의 경제성 비교 결과는 이러한 정책적․ 환경적 효과를 배제한 기술적 분석에 국한되며, 향후 연구에서는 정책적 지원 수단(요금 보조, 탄소 배출저감 가치, 열원 안정성 평가 등)을 포함한 종합적 평가 체계로 확장할 필요가 있다.

6. 결 론

AI와 HPC 확산으로 데이터센터 전력 수요가 급증하고 있으며, 데이터센터의 위치에 따른 집단에너지 의무정책과의 충돌이 주요 쟁점으로 부상하고 있다. 이에 본 연구는 40 MW급 데이터센터를 대상으로 전기식 냉동기와 흡수식 냉동기를 동일한 IT부하와 냉각 용량 조건에서 경제성 및 기술적 적합성 측면에서 초기투자비, 연간 운영비, 시스템 신뢰성, 미래 기술 호환성을 비교․분석하였다. 주요 결론은 다음과 같다.

- 중온수 흡수식 냉동기 시스템은 전기식 냉동기 시스템 대비 초기투자비 약 232%, 운영비 약 539% 증가로 불리함을 보였다. 낮은 COP로 인한 냉각탑, 펌프 용량 증가는 공간과 인프라 부담을 가중시켰으며, 중온수 요금과 상수도 비용은 전력비 절감을 상회하였다.

- 중온수 흡수식 냉동기 시스템은 외부 열원 의존성과 공급 불안정성으로 인해 100% 백업시스템이 필수적이며, 배관 노후화 및 유량 변동 등은 무중단 운영이 요구되는 데이터센터 환경에서 치명적인 약점으로 작용한다.

- 냉각 기술 발전과의 호환성 측면에서 AI 데이터센터의 고밀도 발열 해소를 위한 수냉식 냉각 기술 확산에 따라 40℃ 이상 고온 냉수 활용이 증가하고 있으나, 중온수 흡수식 냉동기는 이러한 기술적 패러다임 변화에 대응하기 어려운 구조적 한계를 가진다.

종합적으로, 본 연구는 40 MW급 데이터센터의 사례 분석을 통하여 데이터센터의 냉각 시스템으로는 전기식 냉동기를 기반으로 하는 구성이 유지관리비와 초기투자비용 측면에서 합리적인 대안인 것으로 확인하였다. 본 연구 결과는 집단에너지 사용 고시지역 내 향후 대규모 데이터센터 냉각 시스템 설계와 에너지 정책 수립 과정에서 참고 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단되며, 지역난방 의무사용 정책과 실제 운영 현실 간의 문제점을 선제적으로 검토하여 완화하는 데 일정 부분 기여할 수 있을 것으로 사료된다.