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산업 디지털화 기반…데이터센터 현재와 미래

데이터센터, RE100·ESG경영 피할 수 없는 과제
고집적·고발열 IT전력설비 증가…냉각시스템 진화
‘DC 산업동향 및 탄소중립 방안’ 컨퍼런스 개최



세계적인 코로나19 팬데믹으로 인해 비대면산업의 급격한 성장이 이뤄지고 있으며 4차 산업혁명과 맞물려 모든 산업은 디지털화를 가속화하고 있는 상황이다.

데이터센터(DC: DataCenter)는 4차 산업혁명시대 ICT산업 활성화를 위한 핵심 기반시설로 D.N.A(Data, Network, AI) 및 ICBM(IoT, Cloud, Big data, Mobile) 기반 서비스를 구현하기 위한 데이터의 저장·처리·유통 역할을 담당하고 있다.

지난 5월18~20일 세텍에서 개최된 ‘대한민국 기계설비전시회(HVAC KOREA)’에서는 데이터센터 산업동향 및 탄소중립 기여방안을 모색하는 컨퍼런스가 개최됐다.

데이터센터 산업동향
국내 데이터센터 수는 △2012년 114개 △2018년 155개 △2019년 158개 △2020년 156개로 매년 증가세를 유지하며 2021년 기준 총 159개가 구축·운영 중이다. 이중 112개는 정부·공공, 지사 등 비수익용센터이며 47개는 상업용(Co-location) 센터로 운영되고 있다.

특히 데이터센터는 지리적 여건, 주변인프라의 우수성 등의 영향을 받아 주로 수도권에 위치하고 있다. 민간 데이터센터의 경우 서울에 43.3%, 경기도 25.6%, 인천 4.4% 등 수도권에만 73.3%가 집중돼있으며 그외 지역은 부산 5.6%, 대전 4.4%, 강원 3.3% 순으로 집계되고 있다.

통신사 및 포털사이트, 금융권, 대기업 등은 신규 데이터센터 구축을 활발히 진행하고 있다. △KT: 서울 용산 △SK브로드밴드: 서울 가산, 경기 일산 △롯데정보통신: 경기 용인 △KINX:경기 과천 △삼성SDS: 경기 동탄 △NHN: 경남 김해, 전남 순천 △GS건설: 경기 안양 △솔리스IDC: 충남 홍성 △네이버: 충남 세종 △카카오: 경기 안양, 제주, 서울대 시흥캠퍼스 △IBK기업은행: 경기 하남 △히든홀딩스: 경기 북부지역(미정) △퍼시픽자산운용: 경기 용인 등이 대표적이다.

글로벌 데이터센터기업의 국내 진출도 활발하다. AWS는 KT, SK브로드밴드, 롯데정보통신 등 3개 센터를 임대해 리전구축을 지속 확장 중이며 마이크로소프트는 지난 2017년 LG CNS, LG U+ 등을 임대한 것에 이어 부산 글로벌 클라우드 데이터센터 시범단지 내 총 12조원을 투자해 신규센터를 구축 중이다. 이외에도 IBM, 알리바바, 구글, 오라클, 에퀴닉스, DRL, oneAsia, 디지털엣지 등도 국내 데이터센터 임대 및 직접 구축을 추진하고 있다.



IT전력밀도 상승…냉각시스템 진화
글로벌 데이터센터 수는 2016년 1,252개에서 2021년 1,851개로 최근 5년간 약 50%가 증가했다. 특히 고집적·고밀도 서버가 특징인 하이퍼스케일(Hyper-scale) 데이터센터는 2021년 659개로 집계됐는데 이는 데이터센터 운영환경의 안정성 확보가 매우 중요해졌다는 것을 의미한다.

하이퍼스케일 데이터센터는 분산된 컴퓨팅 환경을 최대 수천개 서버로 확장할 수 있는 안전한 하드웨어 및 소프트웨어가 조합돼야 하며 하이퍼스케일 서버 1개는 기존서버 3.75개를 대체할 수 있다.

글로벌 데이터센터 IT전력밀도를 분석해보면 IT장비의 저전력 기술발전으로 초기에 예상했던 만큼의 기하급수적인 증가는 나타나지 않았다. 상면기준으로 일반적인 전력밀도는 540~2,200W/m², 10kW/rack 이상일 경우 고밀도로 간주했지만 2021년 글로벌 데이터센터 평균 IT밀도는 약 8.0kW/rack에 도달했다. 조사대상 글로벌 데이터센터의 과반수가 4~10kW/rack로 운영되고 있었으며 10~20kW/rack 수준의 데이터센터는 약 13%를 차지했다.

데이터센터의 효율척도인 PUE(Power Usage Effectiveness)와 IT전력밀도 간에는 상관관계가 나타났다.

PUE는 지속적으로 향상되는 모습을 보였고 2018년과 2021년 연간 평균 PUE는 약 1.6 수준이었으나 2014년 이후 PUE는 크게 향상되지 못했다. PUE 1.6 이상 데이터센터는 5kW/rack 이하의 비교적 저밀도 랙-서버가 지배적이었기 때문이다.

평균 IT전력밀도가 높을수록 데이터센터는 보다 에너지효율적으로 설계될 수 있는 가능성을 보여준다. PUE 1.3~1.6 범위의 대부분 데이터센터 전력밀도는 5~10kW/rack이었으며 PUE 1.3 이하 그룹의 15% 이상이 일반적으로 10kW/rack 이상 IT장비로 구성됐다.



국내 상황을 살펴보면 2019년 기준 서울시의 에너지다소비건물 324개소 중 14개가 데이터센터였으며 업종별 에너지사용량 및 단위면적당 사용량이 많은 건물 상위 30개소 중 데이터센터는 9개소를 차지했다.

국내 데이터센터의 평균 PUE는 1.8x로 IT분야가 57%, non-IT분야가 43%를 차지했다. non-IT분야는 △냉각시스템 32% △UPS·정류기 4% △전력분배 4% △조명 1% △기타 2% 등으로 구성됐다.

조진균 한밭대 교수는 “데이터센터의 보편적인 에너지 소비구조는 공조·냉각분야와 전력공급·분배계통이 non-IT분야에서 가장 큰 비율을 보이며 에너지절감의 핵심요소”라고 설명했다.

IT전력밀도가 낮았던 기존 데이터센터의 냉각방식은 △바닥상치형 컨테인먼트 △간접외기냉방 △직접외기냉방 등 공간단위 냉각방식이었다면 △In-row 냉각 컨테인먼트 등 열기반 냉각방식과 △수동형 In-rack 냉각 △능동형 In-rack 냉각 등 랙기반의 냉각방식으로 진화하고 있다. 또한 25kW/rack 이상 고밀도·고발열을 해결하기 위해 △직접 칩셋 냉각(수냉식) △액침냉각방식도 도입이 시도되고 있다.

특히 랙기반 냉각방식은 현재까지 적용된 사례가 많지 않지만 15kW/rack 이상의 전력밀도를 설계한다면 랙기반 공랭식 냉각을 반드시 고려해야 한다. 이는 공조공기를 공급하는 In-rack CRAC/H 유닛과 IT장비가 일체화돼 열복도가 형성되지 않으며 기존 냉각방식보다 냉기의 이동경로가 획기적으로 감소된다.

조진균 교수는 “IT전력밀도를 기반으로 도출된 필요건축면적, 에너지효율 및 초기투자비를 복합적으로 고려해 냉각시스템을 선정해야 한다”라며 “하이퍼스케일 데이터센터가 주류가 되고 15.0kW/rack 이상 전력밀도를 적용해야 할 경우 랙기반 공랭식 냉각을 반드시 고려하고 우선 검토대상으로 삼아야 한다”고 말했다.



고밀도·고집적 부하대응 냉각시스템
데이터센터 냉각트렌드는 직팽식 냉동시스템부터 고밀도·고집적 부하를 처리할 수 있는 시스템으로 개발되고 있으며 지속적인 변화가 진행되고 있는 추세다. 

성지공조기술의 냉각탑 일체형 냉동기시스템은 냉각탑과 터보냉동기, 펌프·열교환기·버퍼탱크·배관공사 등이 모듈화된 시스템으로 기계실이 필요없어 공간확보에 강점을 가지고 있다.

이를 통해 용적률 상승으로 인한 공간활용은 물론 건축물과의 조화를 이뤄 건축물가치를 상승시킬 수 있으며 평면구성이 좋아진다. 이와 함께 평면사용 면적증가, 지하기계실 면적을 지하주차장으로 사용할 수 있다.

또한 냉각수펌프 용량감소로 인한 운전비가 감소하고 기계실, DA면적, 냉각수 샤프트가 불필요해 건축비를 줄일 수 있다. 냉각수 배관감소로 인한 설비공사비가 감소하며 냉각수 펌프동력이 낮고 수전용량이 적어 전기공사비 감소 등 경제적으로 많은 효과가 있다.

유승철 성지공조기술 상무는 “공장에서 모듈식으로 제작하면 현장공사를 최소화하고 작업공기 및 안전사고 비율을 줄일 수 있으며 장비의 집중화, 내부 점검 가능 등 장점이 있다”라며 “또한 관리포인트가 적어 유지보수가 쉽고 안전사고 발생요소가 저하된다는 것도 특징”이라고 설명했다.

유원공조는 데이터센터에 적용되는 냉동기 및 냉각탑 최적설계를 통해 에너지효율을 극대화하고 있다.

이창수 유원공조 팀장은 “냉동기는 시수 공급량에 따라 수냉식 및 공랭식 등 방식을 선정해야 하며 최소 재기동시간을 통한 버퍼탱크 사이즈를 최적화하는 것이 중요하다”라며 “냉각탑은 설치면적, 동력, 투자비 등이 주요 고려사항으로 운전 중에도 구동부 점검이 가능한 직교류 냉각탑을 우선 검토하는 것이 바람직하다”고 밝혔다.

LG전자의 IDC 전용 무급유 인버터 R1233zd 터보냉동기는 효율향상을 통한 PUE 개선 및 운전비 절감은 물론 Harmonic Free Inverter로 별도의 고조파필터가 필요없다는 점에서 경제성이 뛰어나다. 또한 무급유 직결구동으로 신뢰성 및 유지관리성을 향상시켰으며 AI머신러닝으로 서지회피 연속운전이 가능하다. 복전 후 90초 내 정격부하에 도달할 수 있는 퀵스타트기능과 AHRI인증 S/W 및 테스트설비 등을 갖췄다.

정속 터보냉동기대비 열원시스템의 COP는 14% 향상되며 연간운전비는 4,273만원 절감할 수 있다. LG전자의 핵심기술인 마그네틱 베어링·인버터, 고효율임펠러, Oil Free 등이 적용된 결과다.

이명규 LG전자 책임은 “공랭식 프리쿨링 스크류 냉동기는 합리적인 가격의 AHRI 인증제품으로 외산대비 가격경쟁력을 확보했다”라며 “콤팩트한 사이즈로 설치성을 향상시켰으며 500RT급 경쟁사 제품대비 바닥면적을 7% 축소했다”고 말했다.

또한 LG전자의 향상된 소프트웨어 기술력을 활용해 고객의 최대 지향점인 안정성과 신뢰성확보를 위해 서버, DDC 이중화기술을 제공하고 있다. 이는 장애발생 시 스탠바이서버에 접속해 중단없는 서비스 제공과 △DDC 통신상태 △CPU, 메모리 △관제점 상태 △로직상태 등의 조회 및 진단, 가상 시운전까지 통합한다.

최두수 LG전자 책임은 “LG전자는 이중화, 시스템 자가진단 등 안정화 기술을 기반으로 고객의 안정성 확보를 위한 TIER3 수준의 비상대응-정상운전을 지원하고 있다”라며 “다양한 건물, 공장의 보조열원설비시스템은 프리쿨링 제어솔루션 다수 구축노하우를 통해 고밀도 서버, 센터 대형화에 대한 부하대응 솔루션을 갖춘 것이 강점”이라고 강조했다.



한국코로나의 무급유시스템은 오일프리시스템으로 매일, 매주, 매년, 격년 실행돼야 하는 다양한 오일관련 유지관리가 불필요하다. △오일레벨 확인 △오일교환 △오일필터 교환 △오일관리시스템의 주요 구성품 점검 및 유지보수 △오일분석 수행 등이 이에 해당되며 연간 3,650달러가량 절감할 수 있다.

최재용 한국코로나 대표는 “정속형 1,500RT 터보냉동기 8대의 용량을 무급유 인버터 터보냉동기 2대로 대체할 수 있다”라며 “최저 10% 부분부하운전이 가능하기 때문에 데이터센터 운영 초기에 빈번히 발생하는 냉동기 저부하 서징에 의한 운전불능 문제를 해결할 수 있으며 폭넓은 운전범위로 냉동기 운영안정화에 효과적”이라고 말했다.

공랭식 인버터냉동기는 정전복귀 후 최대한 빠르게 냉동기를 정상화해야 해 고속기동 필요성이 있다. 오텍캐리어는 정전복귀 후 100% 냉각능력에 도달하는 시간을 기존 흡수식냉동기는 20~30분, 터보냉동기는 5~6분인 것에 비해 고속 USX냉동기는 이를 2~3분으로 단축했다.

정경수 오텍캐리어 책임은 “공랭식 인버터 냉동기는 미래 공조부하가 얼마나 증가할지 예측하기 어려운 이슈가 있어 모듈연결방식으로 내부부하에 맞게 증설할 수 있는 솔루션이 요구된다”라며 “모듈방식을 활용하면 서버확장에 맞게 냉동기를 증설할 수 있는 것이 장점”이라고 말했다.

리탈은 엣지컴퓨팅, 모듈러 데이터센터 등에 대한 솔루션을 제공한다. 엣지데이터센터 솔루션인 ‘SMDC’는 온·습도, 연기, 충격, 설비 등 모니터링시스템을 제공하며 밀폐형 외함을 사용해 독립적 환경을 제공한다. 냉각팬 또는 필터를 통해 환기하며 환경감시시스템이 적용된 것이 특징이다.

문규영 리탈 이사는 “엣지큐브(EDGE Cube)는 공장이나 물류센터 등 전산실을 구축하기 어렵고 먼지 등 오염물질이 많은 곳에서도 IT시스템을 운영할 수 있도록 올인원 형태로 구성한 솔루션”이라며 “높은 보호등급과 효율성을 제공하면서도 사용자의 환경이나 IT자원의 수량에 따라 유연하게 구성할 수 있다”고 설명했다.



프리쿨링, 냉방에너지 비용절감
존슨콘트롤즈의 프리쿨링 냉각시스템은 하이브리드 냉방운전 시 외기로 냉각하기 위해 이코노마이저 유량조절밸브가 개방되며 냉각수온도와 칠러플랜트의 총 소비동력을 계산해 가장 최적의 조합으로 운전할 수 있다.

데이터센터 프리쿨링시스템 운전모드는 기계식 냉방운전(여름), 완전 프리쿨링운전(겨울), 하이브리드 냉방운전(봄, 가을) 등으로 구분된다. 대수제어를 통해 냉동기 부분부하 운전시 유량을 줄여 소비동력 절감을 실현할 수 있는 장점이 있다.

이강현 존슨콘트롤즈 이사는 “프리쿨링 운전시간은 외기온도 및 서버실 설계온도와 밀접한 관련이 있으며 냉동기 대수제어는 냉동기의 효율운전 범위를 고려할 경우 총 소비동력을 절감할 수 있는 방안”이라며 “냉동기가 최적효율로 운전할 수 있도록 설계한다면 데이터센터의 냉각에너지 사용을 줄일 수 있다”고 밝혔다.

MTES의 프리쿨링 냉동기는 데이터센터를 위한 리커버리 기능을 최대한 활용하고 있다. 프리쿨링 냉동기는 공랭식 외기간접 냉수냉각방식으로 수랭식과 달리 냉각탑, 냉각수 펌프가 필요없어 경제적이다. 응축기 코일외부에 프리쿨링 코일이 위치해 건물에서 돌아오는 냉수가 외부의 프리쿨링 코일에서 먼저 열교환한 뒤 증발기로 들어오는 구조다.

리커버리는 칠러압축기 토출압력을 이용한 온수열원이며 압축기의 폐열을 이용하므로 제습을 위한 에너지비용을 상쇄하는 최적의 옵션으로 각광받고 있다. 특히 여름철 덥고 습한 국내 기후에 맞도록 공랭식의 단점인 하절기 에너지비용을 줄이는 추가적인 효과가 있다.

김종헌 MTES 대표는 “엔진이 1개인 비행기와 여러 개인 비행기는 안정성 측면에서 많은 차이점을 가지고 있는 만큼 냉동기 역시 스탠바이가 가능한 냉동기모듈시스템으로 최고 가동률을 유지하면서 펌프동력비는 1/N로 절감할 수 있다는 장점이 있다”고 말했다.



밸브, 시스템 최적화 ‘효과적’
데이터센터 내 칠러 등 냉방설비의 최적운전제어를 통한 두 자리 수의 에너지절약이 가능하며 지능적이고 지속적인 적응제어방식의 냉방시설에 의한 서버보호 및 데이터보안을 확보하는 것이 중요하다.

최대부하에서 정적밸런싱 밸브가 적용될 경우 압력변동에 대응하지 못해 냉동기 효율이 낮아져 에너지낭비로 이어진다.

PICV 복합밸브를 적용할 경우 압력변동에 구애받지 않고 높은 냉동기 성능을 유지할 수 있어 정적밸런싱 밸브대비 최대 30%의 에너지를 절감할 수 있다.

구희준 지멘스 부장은 “데이터센터는 부하에 대한 밸런싱이 중요하다”라며 “정유량밸브는 부분부하 운전조건에서는 균일하게 분배하는 것이 불가능하며 동적밸런싱 밸브의 경우 부하조건 및 압력변동에 상관없이 균일한 에너지분배가 가능하다”고 밝혔다.

이어 “지능형 밸브를 적용할 경우 최대성능이 향상되며 유량값도 80% 수준으로 제한되고 에너지도 7% 절감할 수 있다”라며 “에너지절감을 위해서는 분석에 따라 유량을 적응제어하고 저유량 구간에도 적응해 변동운전할 수 있는 밸브를 적용하는 것이 중요하다”고 덧붙였다.

데이터센터의 서버설비의 최적운영환경을 유지하기 위해 항온항습기와 냉방설비가 설치되며 코일 내 냉각수를 제어하는 장비는 복합밸브 PIBCV로 성능을 향상시키고 있다.

정밀하고 효율적인 변유량 온도제어, 높은 Rangeability를 위한 EQM 플러그로 제작된 하나지엔씨의 TA복합밸브는 낮은 부하에서도 우수한 선형제어성능을 보장한다. 또한 모든 부하조건에서 높은 오소리티로 우수한 차압제어성능을 갖추고 있으며 운전 중 유량, 펌프양정 측정이 가능해 기계성능점검이 용이하다.

안성진 하나지엔씨 팀장은 “TA복합밸브는 실제 CRAH 부하조건에 대한 유량제어가 가능하고 부분부하가 발생해도 유량을 최적화해 정확하고 높은 에너지효율을 유지할 수 있다”라며 “실제 측정유량은 원격으로 확인할 수 있어 제어가 가능하며 특히 밸브설치 전 Hyselect, Hyd-Sarek 등 수배관검토프로그램으로 설계최적화에 대한 검토를 진행해 시스템을 최적화할 수 있다”고 밝혔다.

데이터센터 PM, 프로젝트 총괄 
데이터센터사업에서 PM(Project Management)의 역할은 처음 개발 혹은 시행하거나 지속적으로 사업을 영위하고 있는 발주처의 특성에 맞는 최적 방안을 제시하는 것이다.

이는 주요 설계기준을 확립하거나 공사비 절감을 위한 아이템을 계획하고 운영최적화를 위한 DCIM 설계를 모두 포괄하는 개념이다.

특히 프로젝트 건설단계를 감독하는 데 필요한 일련의 과정에 참여해 주요장비 선발주 및 반입 시 테스트를 진행, 공사기간을 단축하는 데 기여할 수 있다. 신뢰성 테스트 및 TAB, 커미셔닝 감독 등도 함께 수행한다.

이와 함께 시공품질을 향상시키는 QM(Quality Management)을 통해 설계 상 주요 콘셉트를 시공사에 이해시키고 주요 체크포인트를 사전에 관리해 리스크를 최소화하며 추후 유지보수를 고려한 주요 시공관리점도 제안한다.

종합시운전 과정에서는 △신뢰성 테스트를 통한 Total Electric SYSTEM 구축 △TAB 및 커미셔닝을 통한 Total Engineering IDC 구축 △LOW PUE를 위한 운전 Sequence 제안 등을 수행한다.

장원복 한일엠이씨 사장은 “준공 후에는 오퍼레이션 빅데이터 분석 및 에너지세이빙 방안을 제시하고 운전방식 및 PUE 감소를 위한 추가 아이템 발굴도 진행한다”라며 “특히 최신 트렌드 접목을 위한 시스템 개선방안 도출 역시 PM의 역할”이라고 말했다.

CFD, 시뮬레이션 통한 설계 최적화
CFD(Computational Fluid Dynamics: 전산유체역학)는 많은 비용이 투자되는 데이터센터의 IT설비 및 냉각시스템의 부하와 용량을 시뮬레이션하는 과정이다. 365일 무중단 운영돼야 하는 데이터센터의 특성 상 서버의 본격운영 전에 철저한 안정성 검증을 위한 도구다.

CFD는 안전성 저해요소를 색출하고 서버실 디자인 및 배치를 최적화함으로써 에너지효율을 극대화할 수 있다. 또한 센서위치를 미리 이동해봄으로써 열기류가 뭉쳐있는 부분을 모니터링하고 공기순환 및 리사이클링에 영향을 미치는 기류패턴도 측정할 수 있다. 또한 냉방시스템 오류 시에도 부하를 감당할 수 있는 여유용량을 계산하기도 한다.

전세민 포스코건설 과장은 “데이터센터 설계 시 발생가능한 물리적 현상을 예측할 수 있는 공조전문가와 물리적 현상에 대해 경계조건을 입력하는 해석전문가의 전문지식공유로 실제상황과 유사한 결과를 미리 도출할 수 있다”고 말했다.

최병남 삼화에이스 이사는 “Google, Facebook, Dell, Cisco 등 대규모 데이터센터를 운영함으로써 사업을 영위하고 있는 기업들은 Basic, Concept Design 검증 및 실행검토를 위해 CFD분석을 실행하고 있다”라며 “정확도 및 에너지효율, 즉 PUE를 가늠할 수 있는 도구로 6sigma를 많이 사용하고 있다”고 말했다.



데이터센터 지표개발, 韓 핵심역할
국내 160여개 데이터센터에서 사용하는 전력은 약 400MW로 원자력발전소(신고리4호기) 1개 평균 발전전력의 절반가량에 해당되는 규모다. 데이터센터 에너지사용은 IT장비 사용량과 데이터센터 설비의 사용량(냉각, 공조, 조명 등)으로 구분되며 에너지효율 향상을 위해서는 각 주요 구성요소의 측정·평가가 선결조건이다.

데이터센터 효율관련 국제 표준화기구는 ISO/IEC JTC1 SC 39(지속가능성, IT 및 데이터센터)가 있으며 WG1(자원효율적인 데이터센터) 아래 △ISO/IEC 30134-1(데이터센터 KPI 요구사항) △ISO/IEC 30134-2(PUE) △ISO/IEC 30134-3(REF) △ISO/IEC 30134-4(ITEEsv) △ISO/IEC 30134-5(ITEUsv) △ISO/IEC 30134-6(ERF) △ISO/IEC 30134-7(CER): 개발 중 △ISO/IEC 30134-8(CUE) △ISO/IEC 30134-9(WUE) △ISO/IEC 20913(데이터센터 효율 종합 평가방법) △ISO/IEC 23544(APEE)가 구성됐다. WG3(지속가능한 설비 및 인프라) 아래는 ISO/IEC 30132-1(에너지효율적인 컴퓨팅시스템 구축지침 표준)이 속해있으며 한국전자통신연구원의 정상진 책임연구원이 담당하고 있다.

또한 ITU-T SG5 WP2(환경, 에너지효율) 산하의 Q11(기후변화 완화 및 스마트에너지)는 정상진 책임연구원이 의장을 맡아 기준개발을 주도하고 있다. Q11에서는 △ITU-T L.1300(그린데이터센터 구축지침) △ITU-T L.1305(데이터센터 인프라 관리시스템) △ITU-T L.1381(데이터센터 스마트에너지 솔루션) △ITU-T L.MM&BP_DC(데이터센터 탄소저감 측정방법 및 모범사례) △ITU-T L.Spec_EdgeDC(엣지 데이터센터 인프라규격) 등이 속해있다.

PUE는 데이터센터설비의 에너지효율을 정량적으로 측정할 수 있는 지표로 어떤 설비가 에너지효율이 낮은지를 판별해 개선하기 위한 핵심기술이다.

또한 재생에너지사용효율지표(REF: Renewable Energy Factor)는 전력 공급자로부터 공급받는 전력 이외의 태양광, 풍력 등을 이용한 자체 생산 에너지의 사용가능량을 말한다.

서버효율측정지표(ITEEsv: Information Technology Equipment Efficiency for Servers)는 데이터센터 내 탑재된 IT서버의 성능대비 에너지효율을 측정함으로써 서버가 사용하는 에너지대비 성능이 높은 서버를 판정하기 위한 용도이며 서버의 신규구매 시 활용될 수 있다.

IT서버 가동률 측정지표(ITEUsv: Information Technology Equipment Utilization for Servers)는 데이터센터 내 탑재된 IT서버의 가동률을 측정함으로써 운용시간이 긴 서버를 판정하기 위한 용도로 사용되며 교체대상 서버선별에 유용하다.

에너지재활용율지수(ERF: Energy Reuse Factor)는 데이터센터에서 발생한 열을 재활용하는 정도를 측정하는 지표다. CV(Control Volume: 데이터센터의 인프라와 비인프라를 구분하는 가상의 구역) 내에서 데이터센터효율을 개선할 수 있다. 이러한 데이터센터의 성능을 측정하는 다양한 지표 및 지수를 활용해 종합적 평가지표 개발이 진행되고 있다.

정상진 전자통신연구원 책임연구원은 “기존의 그린데이터센터 인증제를 더욱 고도화하고 자원효율 평가를 넘어 탄소중립 달성도를 평가해야 하며 중소형 데이터센터의 자원효율적 구축 및 운영지침을 고도화해야 한다”라며 “또한 타 에너지변환계수와 냉방공조효율을 연계시킴으로써 데이터센터의 효율과 안전성을 개선·관리하는 데 기여할 수 있다”고 말했다.



친환경화, 세계적 추세
글로벌 데이터센터 운영사들이 RE100 가입, ESG경영에 높은 관심을 보이며 탄소중립활동에 적극적인 상황이다.

권재원 한국에너지융합협회 한국RE100협의회 사무국장은 “RE100은 2050년까지 기업이 필요한 전력량의 100%를 태양광, 풍력 등 신재생에너지로 생산한 전력을 사용하겠다는 민간의 자발적 캠페인으로 ESG경영 및 탄소중립과 연계해 많은 주목을 받고 있다”고 설명했다.

2021년 기준 가입기업은 전 세계 315개사로 이들의 총 소비전력(340TWh)은 국가 전력사용량 순위에서 12위 수준이다. 이미 45%(152TWh)를 신재생에너지로 조달하고 있다.

한국기업은 △SK그룹 4개사 △아모레퍼시픽 △LG에너지솔루션 △한국수자원공사 △KB금융그룹 △미래에셋증권 △롯데칠성음료 △고려아연 △인천항만공사 등 15개가 가입을 완료했고 올해 중으로 30개사가 가입할 예정이다. 이는 한국 전체 전력사용량인 520TWh에서 70TWh를 차지하고 있어 신재생에너지 사용확대에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

데이터센터분야에서는 에퀴닉스가 미국 실리콘밸리에 20MW(PUE 1.17) 규모의 데이터센터를 운영하고 있으며 주전원은 수소연료전지를 사용하고 있다. 알리바바는 중국 천도호의 17℃ 심층수를 활용해 PUE 1.27 데이터센터를 운영하고 있다.

화웨이는 샨샤댐 강물을 활용한 자연냉각방식의 친환경 데이터센터를 구축했다. 국내 데이터센터도 이러한 친환경 데이터센터 구축을 위해 에너지효율 확보 및 신재생에너지 기술접목 등 다양한 시도를 하고 있다.

한국가스공사와 KT는 2021년 11월 LNG 기화 시 발생하는 미활용에너지인 냉열을 활용해 데이터센터에서 많은 에너지를 사용하고 있는 냉방에너지를 줄이기 위한 MOU를 체결했다.

또한 강원도와 춘천시, 한국수자원공사(K-water)는 강원도 춘천 소양강댐의 7℃ 심층수를 이용해 데이터센터 냉방에 활용함으로써 75% 에너지절감을 기대하고 있다. 또한 데이터센터에서 배출되는 폐열은 인근 스마트팜 및 주택의 난방에너지로 활용할 계획이다.



민간기업 역시 프리쿨링, 신재생에너지 활용 등을 적극 검토하고 있다. 삼성SDS는 상암동에 간접외기냉각, 지역냉방, ESS, 고효율 UPS, 전산실 컨테인먼트 설치 등을 이용해 PUE 1.3급 친환경 고집적 데이터센터를 구축했다. LG U+는 평촌에 빌트업공조, 전산실 모듈형 구조, ESS, 고효율 UPS, 컨테인먼트 설치 등으로 PUE 1.3급 아시아 최대규모 고집적 데이터센터를 구축했다. 네이버는 춘천에 직접외기냉각, 자체제작 서버 및 서버랙, 빙축열, 태양광, 폐열 재활용 등을 통해 PUE 1.1급 데이터센터를 구축했다. 카카오는 폐쇄적 콘셉트를 탈피한 친환경 데이터센터를 2023년까지 구축한다. 1MW 태양광패널을 건물 외부 벽면에 설치하고 50kW 연료전지, DCIM, HACS 등을 적용할 예정이다.

송준화 데이터센터에너지효율협회 사무국장은 “미래사회를 위한 기후변화 대응 및 기업의 사회적 책임 완수를 위해 국내 데이터센터업계도 지속가능한 데이터센터 구축·운영, ESG경영에 적극 참여해야 한다”라며 “산업성장을 저해하지 않으면서 정부의 탄소중립 2050 목표달성 및 데이터센터 지속가능성을 향상시킬 수 있는 다양한 정책적·기술적 제도가 마련돼야 한다”고 강조했다.

또한 데이터센터의 ESG경영을 위해 기존 PUE와 더불어 물사용량 감소지수인 WUE(Water Usage Effectiveness)에 대한 중요성이 부각되고 있다. WUE는 데이터센터에서 IT설비를 냉각하기 위해 사용하는 물의 양을 측정하는 지수로 2011년 Green Grid에서 만든 지속가능성지표다.

물사용량/IT전력사용량으로 세계적인 물부족현상 심화 및 데이터센터의 물사용량 증가가 맞물려 설계 시 중요요인으로 고려되고 있다.

이수영 버티브 부장은 “코로나19 시대를 지나 기후변화에 대처하기 위한 ESG경영이 대세로 자리잡았으며 탄소배출이 많은 데이터센터에서 고효율 친환경솔루션의 요구사항은 지속 확대될 것”이라며 “세계적인 물부족 현상의 심화 역시 갈수록 증가할 것으로 예상돼 데이터센터의 PUE와 더불어 WUE도 강조될 것”이라고 밝혔다.

PUE와 WUE 요구를 해결할 대안으로 공랭식 냉매 에코노마이저 솔루션이 제시되고 있다. 공랭식을 활용해 물사용량을 ‘0(zero)’화하고 외기를 통한 프리쿨링으로 효율을 극대화하는 방식이다. 

버티브에서 제공하는 솔루션의 경우 Full ECO모드 시 PUE 1.05, Full 콤프레서모드 시 PUE 1.29 달성이 가능하며 △실내설치형 타입(분리형 80~185kW 전면토출형) △대용량패키지 타입(패키지형 400kW 전면토출형 및 옥탑설치형 등) 등을 적용할 수 있다.

글로벌 환경규제가 가속화됨에 따라 냉각시스템이 사용되는 모든 산업은 높은 GWP를 보유한 냉매사용에 대한 교체일정에 고민을 해야 하는 상황이다.

키갈리개정의정서에 따르면 한국이 포함된 A5 Group1은 2020~2022년 평균 소요량을 기준실적으로 2024년부터 추가 생산·수입이 전면 금지되며 2029년부터 10%, 2045년까지 80%를 감축해야 한다.

유기출 하니웰 대표는 “R1233zd, R515B는 데이터센터 쿨링에 적합한 온도와 효율을 보유한 Low GWP 비가연성유체”라며 “ODP 0, GWP 1로 친환경적이고 무독성·불연성인 A1등급을 받았으며 퍼포먼스는 R134a를 기준으로 102% 성능을 낼 수 있다”고 말했다.



수열·LNG냉열 등 친환경에너지원 부각 
2050 탄소중립 달성을 위한 여러 산업계의 도전이 지속되고 있는 가운데 데이터센터분야에서도 수열, LNG냉열 등 기존에 사용되지 않았던 에너지원들을 활용해 정부의 온실가스 감축목표에 기여할 수 있는 방안이 제시되고 있다.

수열에너지는 여름철 수온이 대기보다 낮고 겨울철에는 높은 특성을 활용해 물을 열원으로 히트펌프를 통해 건축물을 냉난방하는 신재생에너지로 하천수, 댐용수, 상수도관의 원수, 해수 표층수 등이 해당된다. 이미 광역상수를 적용한 롯데월드타워, 낙동강 하천수를 활용한 부산EDC 스마트빌리지 등 대규모 현장을 비롯해 주암댐 등 총 13개소 사업장에 수열에너지에 대한 성능과 안정성을 검증했다.

데이터센터에 수열에너지를 적용한 사례는 노르웨이 그린 마운틴 데이터센터와 중국 천도호 데이터센터가 있으며 국내에서는 강원도 수열에너지 융복합 클러스터가 진행 중이다.



정현범 K-water 차장은 “강원도는 소양강댐 심층수를 이용해 1만6,500RT 규모 수열에너지를 기반으로 한 데이터센터 집적단지, 스마트 첨단농업단지, 물에너지 집적단지 등을 조성할 예정”이라며 “특히 데이터센터에서는 외기냉수냉방시스템대비 연간 38.9%의 높은 에너지절감효과가 기대된다”고 말했다.

LNG냉열은 –162℃의 LNG가 기화할 때 발생하는 냉열원을 1차 브레인(프레온)으로 냉각 후 2차측 열교환기로 공급하고 ICE WATER를 제조해 데이터센터 냉각에 사용할 수 있다.

LNG 1kg에 해당하는 냉열은 약 200kcal로 가스공사의 연간 도입량 3,200만톤(2020년 기준)을 모두 LNG냉열로 활용한다면 절약할 수 있는 에너지양은 6조4,000억kcal에 이른다. 하지만 지금까지 LNG 기화열은 제대로 활용되지 못하고 대부분 버려지고 있는 것이 현실이다.

최근 LNG냉열을 활용한 초저온물류창고가 건설되고 저렴한 비용으로 참치 등 보관이 이뤄지고 있으며 코로나19 백신보관에도 사용될 정도로 안정성을 인정받고 있다.

김기홍 기성이앤씨 부사장은 “일반적인 데이터센터의 대단위 전력을 사용하는 냉각방식을 LNG냉열로 교체한다면 필요전력을 1/10로 줄일 수 있어 에너지절감과 온실가스 저감에 크게 기여할 수 있다”고 말했다.



데이터센터 지방분산 확대
데이터센터는 전력부족, 지가상승, 주민반대, 분산에너지특별법과 같은 법제도 등 여러 요인으로 탈 수도권화는 피할 수 없는 선택지가 될 것으로 보인다.

강승훈 한국데이터센터연합회 팀장은 “지자체의 데이터센터 유치노력, 시설인프라 확충, 지방입지관련 혜택 등 변하는 조건에 따라 기존 수도권을 고집할 수밖에 없었던 상업용 데이터센터의 지방입지 가능성은 증가하고 있다”라며 “자사용 데이터센터의 경우 이미 경기도, 강원도, 경남, 충청도 등 여러 지방에 건설되고 있으며 이러한 추세는 지속될 전망”이라고 설명했다.

또한 산업통상자원부는 2021년 6월 분산에너지 활성화 추진전략을 발표하고 수도권 등을 전력수요밀집지역으로 지정, 해당지역에 들어서는 기업 등에 대해 전력계통 영향평가를 실시할 계획을 밝혔다.

이에 따라 지자체의 데이터센터 유치경쟁은 치열해지고 있으며 각 지역마다 입주기업 혜택을 비롯한 전력·통신망 확충계획을 발표하고 있다.

강원도 춘천시는 수열에너지를 활용한 K-Cloud Park 조성계획을 2016년 시작해 2020년 7월 예비타당성조사를 통과한 상태다. 약 81만6,000m²(24만7,000평) 규모로 총사업비 3,179억원이 투입되는 이번 사업은 40MW급 대형 데이터센터 4개와 20MW급 중형 2개를 계획하고 있다.

또한 데이터센터와 연계해 정밀의료 빅데이터산업 육성 등을 위해 규제자유특구로 지정하고 TIPS(Tech Incubator Program Start-up) 운영을 통한 창업지원에 나선다.

강원도는 K-Cloud Park의 핵심경쟁력으로 △ESG를 위한 최적의 환경 △글로벌 최상위 수준 초고효율 데이터센터 △데이터센터 최적의 부지환경 등을 내세우고 있다.

함광준 강원도청 팀장은 “수열에너지를 활용한 이번 강원도 K-Cloud Park는 냉방에 필요한 전기요금은 연간 약 160억원 절감하는 동시에 온실가스 배출량 5만7,461tCO₂를 줄일 수 있어 도심형 데이터센터대비 82.6%의 탄소배출을 감소시킬 수 있다”라며 “이를 통해 연간 약 12억원 이상의 탄소배출권이 확보될 것으로 전망하고 있다”고 밝혔다.



특히 수열에너지를 통해 전력사용량을 최소화함으로써 PUE 1.2의 글로벌 최상위수준의 초고효율 데이터센터 건설이 기대된다.

안정적인 전력공급을 위해 부지 내 변전소를 이중화하기 위해 각 센터까지 송전선로 길이 1km 미만 거리 안에 동춘선 #1, 동춘선 #2 등을 신규 설치하고 각 통신사별 시설도 확충한다.

부산시 그린데이터센터 집적단지는 2021년 6월 8만9,692m² 규모의 부산 미음 글로벌데이터센터 시범단지 기업유치를 완료했다.

또한 2022년 4월 부산 그린데이터센터 집적단지 조성 타당성용역이 완료됐으며 입주의향서 접수 및 적용기술을 검토 중이다. 그린데이터센터 집적단지는 부산시 강서구 명지동 일원에 17만7,080m²(5만3,567평) 규모로 수소연료전지, 수열에너지 등 친환경에너지를 활용한다.

부산시는 해외로 나가는 해저광케이블의 90%를 보유하고 있는 만큼 이번 그린데이터센터집적단지는 아시아지역 글로벌 데이터센터 허브를 지향하고 있다. 또한 지역의 전후방 산업들과 연계하고 차세대 데이터센터 연구를 위한 R&D센터, 전문인력 교육센터 등 지원센터도 함께 들어설 예정이다.

부산시는 차별화된 인프라를 지원하기 위해 단지차원의 친환경 및 에너지절감기술 적용방안, 전력 공동관로 및 중립적 IX 등을 검토할 예정이다.

이승희 부산정보산업진흥원 팀장은 “110MW급 수소연료전지 발전을 건설해 2022~2024년부터 전기공급을 시작할 예정”이라며 “또한 집적단지 내 LNG 자가발전 도입을 검토하며 상수도 및 하천수를 이용한 수열에너지기반 공조시설도 도입할 계획”이라고 밝혔다.

이외에도 입주사를 대상으로 투자금액 단위 및 상시고용인력 규모별 설비, 고용 등을 지원한다. 외국인 투자기업의 경우 취득 또는 보유재산을 대상으로 세제감면 혜택이 돌아갈 수 있다.

타 지자체에서도 데이터센터 유치를 위한 노력이 돋보이고 있다. 새만금 부지 내 신재생에너지(수상 태양광단지) 등을 활용한 데이터센터산업 클러스터가 2021년부터 추진되고 있다.

하남시에서는 2021년부터 미군부대 공여부지 등을 활용해 데이터센터, IT기업, R&D센터, 대학 등이 집적된 데이터센터 클러스터 조성사업을 시작했다. 세종시는 네이버 제2데이터센터 유치를 계기로 인근지역을 데이터센터 클러스터화하기 위한 투지유치를 진행 중이다.

시흥시는 시흥 스마트시티 구현에 필요한 스마트시티용 데이터센터 구축(2021년부터)을 추진하고 있으며 광양시는 전남 황금산단 C블록 10만5,563m²에 클라우드 데이터센터(2021년부터)를 조성할 예정이다.

순천시에서는 전남, 순천, NHN 공공클라우드 데이터센터 구축이 추진중(2021년부터)이며 가평군은 서버 컴퓨터와 네트워크 회선 등을 제공하는 데이터센터 인프라시설(2021년부터)을 조성할 예정이다.

평창군은 수소연료전지 발전소 및 관련 LNG 인프라를 활용한 데이터센터 시설을추진(2021년부터)하고 있다. 광주시는 광주 첨단3지구 내 국내 최대 규모의 연산성능을 보유한 AI 데이터센터 구축을 2020년부터 추진 중이다.