LNG냉열과 지열에너지를 융합해 데이터센터에 활용가능한 냉각시스템을 개발해 화제다.
지열 신재생에너지 전문기업인 지앤지테크놀러지(대표 조희남)는 최근 LNG(액화천연가스) 기화냉열과 지열에너지를 융합해 개발한 데이터센터(DC) 냉각기술 ‘GSS(Geothermal Seokbinggo System)’의 실증을 앞두고 있다고 밝혔다. GSS는 지앤지테크놀러지가 LNG기지에서 생산된 냉열을 지중에 저장해 데이터센터에 연중 중단없이 공급될 수 있도록 개발한 냉열축냉기술이다.
우리나라의 LNG 수입량은 연평균 약 4,500만톤으로 기체상태인 천연가스를 -162℃까지 냉각시켜 액화시킨 후 선적·운반한 다음 국내 LNG기지에서 다시 기화시켜 사용한다. 액화된 LNG를 기화시키는 과정에서 방대한 양의 냉열이 발생하는데 현재는 거의 버려지고 있어 LNG냉열에너지를 대체에너지로 활용할 경우 연간 900만Gcal 달하는 에너지량을 생산하는 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
현재 LNG의 연소열은 건물이나 공장의 난방용 열원으로 사용되거나 발전소 터빈을 돌리기 위한 스팀생산에 사용되고 있다 하지만 LNG를 기화시킨 후 발생한 냉열은 바다로 그대로 방류돼 전량 폐기되고 있어 해양환경에도 영향을 미칠 수 있다.
연간 900만Gcal에 달하는 막대한 LNG냉열을 활용하고자 하는 정책적 고려와 시장 움직임이 최근 일어나고 있지만 그동안 냉동냉장창고 일부에 LNG냉열 공급이 시도된 적이 있을 뿐 대규모 실용화 단계로는 진입하지 못했다.
그간 LNG냉열을 활용하고자 하는 많은 시도에도 불구하고 냉열원 사용이 현실화되지 못한 가장 큰 이유는 공급 불안정성 때문이다. 만약 냉열 공급의 안정성이 최우선으로 보장되는 기술이 개발된다면 단절없는 냉열 공급이 필수적인 데이터센터, 반도체공장, 산업단지, 스마트팜 등 다양한 수요처에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
이중 데이터센터의 경우 전원공급이 시설운영에 핵심적인 요소로 비상전력이 항상 가동될 수 있도록 운용되고 있으며 냉각열원 공급시설 역시 이중으로 이뤄져야 있다. LNG냉열이 실용화되기위해서는 이중 이상의 공급시설이 구축돼 안정된 공급이 보장돼야 하며 비상공급을 위한 추가 대안들도 필요하다. 현재까지는 공급 안정성과 비상공급을 위한 대안들에 대한 방안이 충족되지 못해 해결하지 못한 난제였으나 지열시스템 기술활용을 통해 난제가 해결될 수 있게 됐다.
DC 부지 내 ‘축냉블럭’ 형성
지앤지테크놀러지는 LNG냉열의 공급 불안정성을 해결하기 위해 지중 축냉기술인 GSS를 개발했다. 데이터센터 부지 내 지중에 500~1,000m에 이르는 고심도 지중열교환기를 구성해 LNG기화 시 발생되는 냉열로 냉각된 -25℃의 부동액을 지중열교환기 코일관 내로 순환시켜 데이터센터 부지 지하 암반층을 결빙하는 ‘축냉블럭’을 형성시키는 것이다. 형성된 축냉블럭을 통해 평상 시 축냉된 냉열이 언제라도 공급될 수 있도록 할 수 있다.
열원공급의 안정성 확보를 위해 삼중 공급방안을 마련하고 있다. 1단계는 LNG 기화냉열이 냉방시설에 직접 공급되도록 하는 것과 2단계는 지중열교환기에 저장된 냉열을 공급하는 것으로 LNG냉열이 갑작스럽게 중단되는 상황을 대비한 조치다. 특히 3차원적으로 축냉된 냉열원까지 모두 소진될 경우를 대비해 지열용 히트펌프를 설치해 운용되도록 하고 있다.
지엔지테크의 관계자는 “1만m²의 데이터센터 부지 내 설치된 지열시스템을 이용해 암반 ‘축냉블록’ 내 저장되는 열용량은 연간 약 8만Gcal에 이를 것으로 예상되며 이는 연간 6만Gcal에 달하는 데이터센터(40MW 규모)의 필요 냉열량을 상회하는 것”이라며 “약 1년간은 LNG냉열 공급이 중단되더라도 데이터센터의 냉각은 장애없이 운영될 수 있는 것으로 산출돼 불안정성이 명확히 해결되는 것으로 나타났다”고 강조했다.
지중열교환기 기술 관련 세계 1위 특허출원 연구성과를 갖고 있는 지앤지테크가 GSS기술을 개발한 것은 2017년 국가R&D를 통해 사업화에 성공적으로 안착된 ‘300~450m 고심도 수직밀폐형 지중열교환기장치 사업화개발’ 성과와 2015년까지 연세대학교와 함께 수행한 ‘불가측(Unpredictable) CO₂ 누출 조기진단시스템 개발’ 과정에서 500m 고심도 그라우팅기술이 융합, 접목돼 도출된 성과에서 비롯됐다.
특히 고심도 수직밀폐형 기술개발과정에서 지중열교환기에 대해 500m 이상 설치기술에 대한 실증 확보가 이뤄졌으며 이러한 성과는 국가 R&D평가에서 ’우수’로 판정받아 산업통상자원부의 ‘2021년 이달의 산업기술상’ 수상과 함께 ‘2022년도 대한민국 건설에너지대상’에서 ’대상’을 수상하기도 했다.
지앤지테크는 이번 인천 송도LNG기지에서 생산된 LNG 기화냉열을 활용하는 남동산단 분산에너지특화 프로그램에도 참여해 데이터센터에 안정적인 냉열공급이 가능한 GSS 실증이 이뤄질 수 있도록 관계 정책입안자들과 협의 중으로 알려지고 있다. 현재 LNG기지와 인접하고 데이터수요가 큰 경인지역의 남동산단에 대규모 데이터센터집적단지가 구축될 것으로 전망된다.
조희남 지앤지테크 대표는 “LNG 기화냉열의 규모는 연간 900만Gcal로 40MW급 데이터센터에 냉열원 공급 시 고효율시설을 기반으로 약 300개소 이상을 충당할 수 있는 열용량을 제공하며 분산에너지로 환산된 전력량은 500MW 석탄화력발전소 3기의 발전량과 버금가는 규모에 달한다”라며 “LNG 기화냉열 활용은 탄소배출량 감소의 환경적 이점과 국가 분산에너지정책에도 크게 기여될 수 있다”고 밝혔다.
조 대표는 특히 “냉열원 공급 안정성을 가지면서도 데이터센터 효율(PUE)을 1.1 이하로 낮출 수 있는 고효율성과 경제성을 함께 갖게 될 것으로 확신하고 있다”라며 “LNG 기화냉열과 지열 축냉 융합시스템 기술과 시공에 대한 국내 적용과 해외 기술수출을 추진할 계획인 만큼 기술의 성공적인 확산과 수출을 위한 투자기관들의 적극적인 참여를 기대한다”고 덧붙였다.
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