데이터센터(DC)에 액침냉각(Immersion Cooling)을 적용해 초고효율 DC 쿨링시스템을 개발하기 위한 정부R&D가 추진된다. 특히 이번 R&D는 액침냉각 후 회수한 폐열을 재활용하는 내용과 실증까지 포함돼 기술검증이 진행될 예정이어서 향후 사업모델 개발까지 이어질지 주목된다.

한국에너지기술평가원은 2024년도 에너지기술개발사업 신규연구개발과제로 ‘액침냉각을 이용한 데이터센터 열관리 초고효율화 기술개발 및 실증’ 과제사업을 공고했다.

DC는 최근 대형화, 고집적화되는 추세로 이에 대응하기 위해 기존 공기냉각 구조의 한계를 뛰어넘는 새로운 냉각기술개발이 필요한 실정이다. AI의 급격한 발전으로 DC 계산부하가 폭발적으로 증가하고 있으며 HPC(High Performance Computing) 확대에 따른 랙당 소비전력이 지속적으로 증가해 기존 DC 공랙식 열관리의 한계점까지 근접했다.

IEA는 지난 1월 2020년 글로벌 DC 연간 전력소비량은 240~340TWh이며 세계 전력소비량의 1~1.3%를 차지하는 것으로 추정된다고 발표했다. 삼일PwC경영연구원에 따르면 2021년 기준 전 세계 데이터센터 개수는 1,851개이며 이중 2만㎡ 이상 하이퍼스케일 DC의 개수는 659개로 집계된다.

국내 ICT산업발전과 함께 DC산업은 지속적 성장이 예상된다. 글로벌 시장조사 전문기관 Aritzon에 따르면 전 세계 DC시장은 2021년 2,158억달러에서 2027년 2,883억달러 규모로 성장이 예상되며 우리나라 DC시장은 2027년 58억달러 규모로 성장이 전망된다.

이에 따라 DC는 PUE를 지속적으로 낮춰 전력사용 효율성을 높이는 한편 운용과정에서 발생하는 열에너지를 재활용하는 기술을 확보할 필요성이 크다. DC냉각에 저온외기, 수열원, LNG냉열을 활용하기 위한 노력이 진행되고 있으나 국내 DC 평균PUE는 1.78 수준으로 세계평균 1.59와 격차가 크다.

DC시장이 성장세를 유지하는 가운데 신기술인 액침냉각 기술은 이러한 산업확대를 뒷받침할 수 있을 것으로 예상된다. DC시장이 지속적으로 성장함에 따라 DC 액체냉각시장도 연평균 24.84% 성장이 예상된다. 2021년 24억5,000만달러인 액체냉각시장은 2027년 74억달러까지 성장할 것으로 전망된다. 특히 액침냉각의 경우 연평균 25.8%로 더 급격한 성장이 예상돼 2027년 12억6,000만달러 규모에 이를 것으로 추정된다.

이처럼 유망한 시장성에 국내산업이 진출하기 위해서는 신제품‧기술 R&D가 시급하다. 그러나 차세대 DC 열관리로 부상한 액침냉각의 경우 민간기업 주도개발은 한계가 크다. 디지털전환의 급격한 진행과 DC 전력소비량 급증에 대응하기 위한 정부 R&D 지원이 시급하다.

이번 기술개발의 최종목표는 고밀도 DC열관리를 위한 액침냉각 핵심 요소기술 개발과 서버‧랙 모듈통합 기술개발, 미활용열 능동활용기술을 융합한 DC 액침냉각 시스템 개발 및 실증이다. 즉 DC PUE를 1.55 수준에서 1.0대로 대폭 감소시킬 수 있는 고효율화 기술과 함께 회수한 미활용열을 능동활용할 수 있는 기술을 개발하는 것이 목표다. 미활용열 능동활용기술은 흡착식 히트펌프 기술 등과 같이 액침냉각 열원에너지를 회수해 사용할 수 있는 모듈 및 열관리 방안을 말한다.

대상기술은 고밀도 DC열관리를 위한 액침냉각의 핵심 요소기술들을 개발하는 것으로 여기에는 액침냉각 시스템과 함께 액침용 서버기술도 포함된다. 또한 액침냉각 미활용열 능동활용 및 열관리 기술과 DC 액침냉각시스템과 연계한 미활용에너지 활용기술 통합실증이 함께 추진된다.

기술개발방향으로 액침냉각용 비전도성 친환경 작동유체 내재화 및 최적화 기술개발과 이를 활용한 단상‧다상 액침냉각 열성능 최적화 및 열전달 촉진기술 개발이 설정됐다. 또한 액침냉각에서 파생하는 미활용에너지의 능동활용을 위한 반응기, 열교환기 적용 및 개발과 더불어 열관리유닛과의 시스템연계를 통한 통합시스템 열관리 기술개발도 추진된다. 이와 함께 열원배치를 고려한 랙 구조 최적화 기술과 열교환 성능 최적운전 및 성능평가 기술개발이 추진되며 실증규모에 대응하기 위한 액침냉각 서버‧랙 모듈 스케일업 적용과 액침냉각 및 미활용에너지 능동활용 모듈 실증 통합설치‧시운전 기술도 실현할 방침이다. 실증시스템은 성능최적화를 위해 무중단 고신뢰성 운영관리 기술개발이 병행되며 이를 통한 종합적 PUE는 1.0대를 달성해야 한다.

세부과제는 총 3개로, 실증을 담당하는 3세부가 총괄과제 역할을 수행하는 체계다. 1세부는 ‘DC액침냉각 핵심 요소기술 개발’로 △단상‧다상 액침냉각 열성능 최적화 및 열전달 촉진 기술개발 △규제대응 액침냉각용 비전도성 친환경 작동유체 내재화 및 최적화 기술개발 △서버 고발열 열원 배치에 따른 유로 해석, 설계 및 랙 구조 최적화 기술개발 △서버-랙 작동유체 열교환 성능 최적 운전 및 성능평가 기술 개발 등으로 구성된다.

2세부는 ‘액침냉각 미활용열 능동 활용 및 열관리 기술 개발’로서 △저온열원 활용 열사이클 해석 및 최적 사이클 도출 △액침냉각 시스템 열관리 기술(Dry cooler 및 Liquid cooler 등) 개발 △액침냉각 미활용열 능동 활용 반응기 및 열교환기 설계기술(65℃ 미만의 칩냉각 배열 활용을 위한 부품과 시스템기술) 개발 △액침냉각 열관리 유닛과 미활용열 능동 활용 시스템 연계기술 개발 △액침냉각 데이터센터 통합 열관리기술 개발 등이다.

3세부는 ‘데이터센터 액침냉각시스템 연계 미활용에너지 활용 기술 통합실증’이다. 개발내용은 △실증 규모 대응 액침냉각 서버-랙 모듈 스케일업 적용 기술개발 △ 미활용열 능동 활용을 위한 기축 시스템 연계 적용 기술개발 △액침냉각/열관리 모듈 통합 열설계 및 시스템 최적화 기술 △액침냉각 및 미활용에너지 능동활용 모듈 실증 통합 설치 및 시운전 기술 △실증 시스템 성능 최적화를 위한 무중단 고신뢰성 운영관리기술 개발 △고밀도 데이터센터 액침냉각 시스템 통합(Integration) 설치 및 에너지 효율화 지표 실증(PUE 1.0X, 실증규모 200kW 이상 서버랙 적용, 실증기간 하‧동절기 포함 2,000시간 이상) 등이다.

R&D는 48개월간 진행되며 정부지원 연구개발비는 180억원 내외로 1차연도에 약 40억원이 지원될 예정이다.