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다가온 과제 ‘탄소중립’ 데이터센터 돌파구는

2050 탄소중립 시나리오, 데이터센터 ZEB 적용
데이터트래픽 지속 증가세…IDC 건설 불가피
하이퍼스케일급 IDC 확대…최적 냉각방식 고민



지구온난화를 막기 위한 전 세계의 노력이 모아지고 있는 가운데 우리나라는 2020년 12월 ‘2050 탄소중립 추진전략’을 확정하고 각 부처는 후속조치로 탄소중립 로드맵을 수립했다. 2050년까지 신재생에너지를 확대하고 에너지효율을 높여 탄소배출을 최소화해 온실가스 순배출량을 ‘0’으로 만든다는 계획이다.

하지만 4차 산업혁명이 진행됨에 따라 AI, IoT, 빅데이터 등의 저장공간을 담당하는 데이터센터는 막대한 에너지를 사용해 탄소배출을 유발하는 시설임에도 불구하고 건설이 가속화되고 있는 추세다.

지난해 10월 공개한 ‘2050 탄소중립 시나리오’, ‘2030 국가온실가스 감축목표(NDC) 상향안’에서는 건물에너지 수요관리를 위해 에너지다소비건물인 데이터센터를 제로에너지빌딩(ZEB) 인증 대상으로 확대한다는 내용이 포함됐으며 2022년 3월 기준 공공부문 데이터센터 중 총 7개 센터가 ZEB인증을 획득했다.

특히 민간부문 ZEB인증 의무화 적용이 2025년으로 공표된 만큼 미래산업의 기반시설인 데이터센터도 온실가스 배출에 대해 자유롭지 못한 시점에 도달했다.

글로벌시장에서도 많은 해외기업이 앞다퉈 RE100에 가입하며 신재생에너지를 확대하겠다는 의사를 표명하고 있으며 최근 지속가능한 기업성장의 필수요건이 되고 있는 ESG경영에서도 제일 앞단에 서있는 것이 Environment, 즉 친환경이 강조되고 있다.

이에 따라 데이터센터의 온실가스 저감에 기여할 수 있는 요소와 해외 데이터센터 운영기업들의 관련계획을 알아보고 향후 방향성을 모색해본다.

IDC, 2025년 ZEB 의무화
정부는 2020년 ‘2050 탄소중립’을 선언하고 2021년 ‘2050 탄소중립 시나리오’를 통해 2050년까지 국내 온실가스 순 배출량을 ‘0’으로 만들겠다는 계획을 발표했다. 이러한 거시적 목표를 달성하기 위한 핵심수단 중 하나가 ZEB 의무화다. 2020년 공공부문을 시작으로 2025년부터는 민간건축물 연면적 1,000㎡ 이상 신축건축물에 대한 제로에너지설계가 의무화된다.

이미 공공부문에서는 국가정보자원관리원 대구센터(2020년)를 시작으로 △농생명 빅데이터 분석 연구동(2021년) △한국에너지공과대 데이터센터(2021년) △국방지능데이터센터(2021년) △지질자원연구데이터센터(2021년) △대구교육통합전산센터(2022년) 등 6곳이 ZEB인증을 획득했으며 민간부문에서도 IBK 하남데이터센터(2022년)가 인증을 획득했다.

앞으로 2025년부터 신축되는 데이터센터는 ZEB인증을 의무적으로 받아야 하기 때문에 이에 대한 대비를 고민해야 하는 시점이다.

전 세계 전력소비 2.3% 차지
4차 산업혁명시대에 접어들면서 데이터가 미래발전의 핵심 성장동력으로 급부상하고 그 중요성과 활성화방안에 대한 논의가 활발하다.

전 세계 연간 전력소비량은 2020년 기준 약 2만3,177TWh이며(EnerData, 2021년 6월) 이 중 ICT산업이 소모하는 전력비중은 약 10%다. 세계 데이터센터의 전력소비량은 200~250TWh이며 데이터전송에 사용된 전력소비량은 260~340TWh 수준이다. 즉 전 세계 전력소비량의 약 2.3%에 해당된다(IEA, 2021년 11월).

최근 IoT 디바이스의 급속한 증가와 넷플릭스, 유튜브 등 OTT서비스 대중화, 코로나19 팬데믹으로 인한 언택트문화 확산영향으로 데이터트래픽이 폭발적으로 증가하는 추세다(2017년 50Tb/s → 2021년 125Tb/s). 이에 따라 글로벌 데이터센터는 2016년 1,252개에서 2021년 1,851개(약 480억달러 규모)로 최근 5년간 약 50% 가까이 증가했다.

이러한 최신 데이터센터는 주로 수요처 측면에서 클라우드데이터센터(CDC)라는 점과 에너지측면에서 친환경 그린데이터센터라는 점에서 기존 인터넷데이터센터(IDC)와 차이가 있다.

우선 클라우드데이터센터에는 주로 서버 10만대 이상의 규모를 갖춘 초거대 하이퍼스케일(Hyperscale) 데이터센터가 포함된다. 고객의 원격작업이 가능하므로 도심보다는 주로 외곽이나 지방에 위치하며 사무동 건물과 데이터센터가 분리된 창고형태다. 글로벌 데이터센터 네트워크의 일부로 운영돼 데이터 이중화나 피크(Peak)시간대 트래픽 분산처리 효과를 볼 수 있으며 콘센트 전송 네트워크(CDN)나 엣지컴퓨팅(Edge Computing) 등과 연계해 운영된다.

또한 표준화된 모듈을 외부에서 사전제작해 현장으로 옮겨와 설치하는 모듈러 건설방법을 사용해 현장 시공방식에 비해 공기를 단축할 수 있으며 초기투자비도 절감할 수 있다. 표준화 및 사업확장성도 우수하다. 이러한 방법을 이용해 비슷한 형태의 데이터센터 건물을 한 단지에 여러 개를 순차적으로 설치하는 캠퍼스 형태로 장기간 불규칙한 고객수요 증가에 유연하게 대응할 수 있다.

에너지측면에서 볼 때 최신 클라우드데이터센터는 고집적화에 따라 많은 에너지를 소비하기 때문에 탄소배출량 저감을 위한 외부 냉기 활용, 에너지효율 개선과 함께 재생에너지를 이용하고 있다.

대부분의 글로벌 IT기업은 ESG경영 트렌드에 발맞춰 기업의 전력사용량 100%를 재생에너지로 충당하자는 RE100 캠페인에 적극 동참하고 있다.

하이퍼스케일 IDC 증가세
새로운 냉각방식 고민
해외에서는 하이퍼스케일 규모의 데이터센터가 확산되는 추세다. 글로벌 기준 하이퍼스케일 데이터센터는 2017년 기준 전년대비 14.2% 증가한 386개를 기록했다. 2018년 448개로 증가, 2021년에는 628개로 2020년대비 10.17% 증가했다.

데이터센터의 규모가 커질수록 사용하는 에너지량은 기하급수적으로 증가하며 이에 따른 온실가스배출량도 덩달아 급증할 것으로 예상된다.

향후 데이터센터산업의 중심이 하이퍼스케일 규모로 이동한다면 지금과는 다른 운영형태에 대비해야 한다. 즉 IT장비의 냉각, 전력분배 및 저장(UPS) 등 데이터센터를 유지하는 non-IT분야의 인프라 변화는 필연적으로 발생한다. 이중에서도 고밀도 IT장비 운영으로 인한 냉각시스템 변화가 가장 클 것으로 예상된다.

데이터센터 공조·냉각시장은 2017년 84억달러에서 2025년 232억달러로 매년 13.7%씩 성장할 것으로 전망된다. 하이퍼스케일 데이터센터는 IT장비의 집적도(7.0kW/rack 이상)가 증가하기 때문에 IT산업 변화에 대응가능한 냉각시스템 기준이 필요하다.

전통적인 공간단위 중앙식 냉각(roombased cooling)방식이 고밀도 IT환경에 대응하기에 한계에 다다랐기 때문에 구역단위 분산식 냉각(row-based cooling)과 IT장비단위 개별식 냉각(rack-based cooling)으로 점차 변환하고 있다.

게임의 규칙이 변경됨에 따른 새로운 냉각방식에 대한 산업계의 고민이 필요한 시점이다. 운영‧서비스 중심의 국내 데이터센터시장 특성과 해외 기술과의 격차를 고려한 지속가능성을 확보하기 위해서는 변화하는 환경에 맞는 냉각시스템 성능기준이 명확하게 제시돼야 한다.

IDC 냉각, 전체전력 30~50% 차지
데이터센터는 에너지집약적 건물로 전 세계 전력사용량의 2.3%를 차지하고 이중 30~50%는 냉각시스템에 의해 소비된다. 

데이터센터의 에너지소비는 지난 10년간 2배 증가했으며 이러한 추세가 지속될 경우 10년 내 3~4배 증가할 전망이다.

전용 데이터센터는 주거건물의 2만5,000세대, 동일 규모의 일반 사무소건물대비 약 100~200배 이상의 에너지를 사용하는 고밀도 에너지다소비 건물군에 해당된다.

이에 따라 사람이 거주하는 건물이 아닌 산업기반의 에너지소비구조를 이해하는 것이 전략적으로 에너지효율을 개선하고 특수성을 고려한 에너지절약계획을 수립하는 중요한 전제조건이 된다.

특히 국내 데이터센터 생태계는 해외와는 달리 수도권에 집중돼 있으며 그 숫자가 기하급수적으로 증가하고 있다. 이에 따라 재생에너지 수급뿐만 아니라 전력계통의 안정성 확보자체가 쉽지 않다.

국내에서는 2021년 말 기준 약 160개의 상업용 데이터센터가 운영 중이다. 데이터센터 사업자들이 한전을 통해 2029년까지 신청한 신규 데이터센터는 193개로 총 전기계약용량만 14.7GW에 달한다. 특히 수도권에 신청된 계약용량은 13.5GW로 92.2%를 차지해 수도권 집중과 전력난이 더욱 심화될 것으로 예상된다.



에너지소비 측면에서는 2015년 기준 연간 총 전력사용량은 약 26억5,000만kWh로 산업용 전력 소비량(2,735억kWh)의 1%, 국내 원전 1기 전력생산량의 약 40%를 차지한다.

이렇듯 데이터센터는 지금까지 막대한 에너지를 사용함에도 불구하고 미래산업의 성장동력이라는 이유로 국가 에너지정책 및 관리대상에서 자유로웠다.

그러나 2050 탄소중립 및 전력수급기본계획의 발표로 더 이상 예외대상이 될 수 없다. 데이터센터의 효과적인 에너지절감을 위해서는 일차적으로 구성하고 있는 건물의 시스템에 따른 에너지사용 특성을 파악하는 것이 중요하다.

다음 단계로 도출된 데이터센터 사용용도별 에너지소비 구조를 기반으로 전략적이며 표준화된 에너지효율 및 성능개선 활동을 추진하는 것이 근본적이며 실질적인 데이터센터의 에너지절감을 달성할 수 있는 방법이다.

전력밀도 고려…최적 냉각방식 선택
데이터센터 에너지효율화에 있어 전력밀도와 PUE는 밀접한 상관관계가 있다. 2021년 기준 500개 이상의 글로벌 데이터센터의 평균 IT전력밀도는 약 8.0kW/rack으로 조사됐다. 평균 IT전력밀도의 변화는 2011년 2.4kW/rack, 2017년 5.6kW/rack에서 최근까지 거의 4배 증가했다. 과반수의 데이터센터가 4~10kW/rack의 IT전력밀도로 운영되고 있다.

10~20kW/rack 수준의 데이터센터도 약 13%를 차지하고 있으며 20kW/rack을 초과하는 데이터센터도 증가하고 있다. 30MW급 이상 대규모 데이터센터는 고성능 IT장비가 장착된 캐비닛을 선호하는 클라우드 및 하이퍼스케일 데이터센터가 해당되며 10~20kW/rack 범위의 랙-서버가 적용되는 것이 일반적이다.

조진균 한밭대 교수는 “데이터센터 냉각의 기본원칙과 기능은 CRAC/H 유닛에서 각 IT장비에 냉방공급 및 분배해 발열을 효과적으로 제거하는 것”이라며 “냉각을 효율적으로 수행하기 위해서는 구성된 IT전력밀도에 따라 공간단위(roombased), 구역단위(row-based) 및 랙-기반(rack-based) 등의 냉각방법으로 구분할 수 있다”고 말했다.



공간단위 냉각은 기존 5kW/rack 이하의 저밀도 데이터센터에 주로 적용되며 최대 10kW/rack까지 적용가능하다. 공간단위 공기분배는 CRAC/H 유닛에서 공조공기를 실내로 직접 공급하거나 이중마루(raised floor) 하부공간과 천장 내부공간을 사용해 급기 및 환기를 할 수 있다. IT룸의 효율적인 공기흐름을 형성하기 위해 열복도와 냉복도를 구분하고 일정수준 이상의 IT전력밀도에서 열·냉복도 컨테인먼트를 적용한다.

공간단위 냉각은 건축적 사항(상면면적, 천장높이, 이중마루 하부), 랙-서버 배치, CRAC/H 유닛 위치 및 각 IT장비의 배전 등에 큰 영향을 받는다. 또한 국부온도 상승(hot spot)을 처리하기 위해 낮은 온도로 급기해 정격 냉각용량이 증가하는 등 냉각효율 저하가 발생할 수 있다.

열-기반 냉각의 경우 6~10kW/rack 범위의 고밀도 데이터센터에 주로 적용되고 최대 20kW/rack까지 적용가능하다. 여러대의 in-row CRAC/H 유닛을 랙-서버 사이에 설치하기 때문에 공간단위 냉각보다 공기분배 경로가 짧다는 장점이 있다. 공기분배 흐름이 단순해 냉방유닛의 정격용량을 이하로 운전할 수 있다. 공기분배 경로가 짧기 때문에 CRAC/H 유닛의 송풍동력이 줄어들어 에너지효율성을 향상시킬 수 있다.

초고도밀 랙-서버(최대 50kW/rack)까지 대응 가능한 랙-기반 냉각의 in-rack CRAC/H 유닛은 랙-서버와 일체화해 설치된다. 공기분배 경로는 공간단위 또는 열-기반 냉각과 비교해 더 짧고 단순하게 형성되므로 공기분배는 랙-서버 배치에서 제약조건없이 추후 변경에 대한 영향을 받지 않는 장점이 있다.

증가하는 초고밀도 IT부하 대응이 공랭식(air-cooled)으로 불가능할 경우 수냉식(liquid cooling)을 고려해야 한다. 수냉식냉각은 IT장비의 칩셋에 냉매를 공급해 냉각하거나 IT장비 자체를 냉매에 넣어 냉각하는 액침냉각(immersion cooling)이 있다.

조진균 교수는 “IT전력밀도가 증가하면 열손실을 최소화하는 냉각방식을 채택하기 때문에 공기분배경로가 짧아지고 기존의 비효율적인 요소가 해소돼 냉각시스템 에너지효율이 향상되는 효과가 반드시 나타난다”라며 “그러나 고밀도 IT전력 대응 냉각방식으로 갈수록 CRAC/H 유닛과 IT장비 사이의 공기냉각 경로가 최소화돼 외기냉방 적용이 어려워진다”고 말했다.

이어 “냉각시스템 자체의 효율은 향상되지만 외부조건(기후)을 활용하는 공기측 이코노마이저(air-side economizer) 적용에는 한계가 있다”라며 “이러한 상충관계(trade-off)는 엔지니어가 극복해야하는 새로운 과제”라고 강조했다.

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