▲ (앞 줄 左부터)전기 공급 연료전지, CO2 포집 설비, 서버 폐열로 전기를 만드는 발전 설비(출처: AI 생성)

인공지능(AI) 데이터센터에 연료전지로 전기를 공급하고, 연료전지와 서버에서 나오는 열을 각각 이산화탄소(CO2) 포집과 전기 생산에 재활용하면 총 비용을 약 48% 줄일 수 있다는 연구결과가 발표됐다.

UNIST는 탄소중립대학원 임한권 교수팀이 고체산화물 연료전지(SOFC)를 데이터센터의 전력원으로 쓰고 발전과 냉각 과정에서 나오는 열을 재활용하는 통합 에너지 시스템을 고안하고, 이 시스템의 경제성과 전 과정 온실가스 배출량을 분석한 결과 이 같은 결론을 얻었다고 15일 밝혔다.

데이터센터는 막대한 전력을 안정적으로 공급받아야 하는데 천연가스로 전기를 만드는 SOFC를 데이터센터 인근에 설치해 전력을 직접 공급하면 필요한 용량만큼 모듈을 늘려 전력 수요 증가에 대응할 수 있다.

연구팀이 제안한 통합 에너지 시스템에서는 연료전지가 발전 과정에서 배출하는 CO2를 흡수하는 특수 액체로 포집한 뒤, 연료전지에서 나온 열로 액체를 가열해 CO2를 분리하고 액체를 다시 사용한다.

서버에서 나오는 열도 전기를 생산하는 데 활용된다. 서버를 식힌 냉각수의 열로 특수 냉매를 증발시키고 이 증기가 터빈을 돌려 전기를 만드는 유기 랭킨 사이클(ORC) 방식이다.

연구팀은 GPU 2만개 규모의 데이터센터를 가정하고 전력 공급원과 냉각 방식, 탄소 포집 여부에 따른 8가지 조합을 한국·미국·유럽연합(EU)의 에너지 가격과 전력 생산 구조를 반영해 분석했다.

분석 결과, 고체산화물 연료전지와 탄소 포집, 유기 랭킨 사이클 냉각을 결합한 통합 시스템은 비용과 온실가스 배출량을 종합적으로 평가했을 때 다른 조합보다 전반적으로 높은 순위를 차지했다.

유기 랭킨 사이클 냉각은 한국과 미국, 유럽 모두에서 경제성과 환경성이 우수했으며, 연간 냉각 비용에 드는 전력 비용을 최대 1,900만달러 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 전력 생산량이 줄어 온실가스 배출량도 연간 약 8만~15만 톤 줄어드는 것으로 분석됐으며, EU 배출권거래제처럼 탄소 배출에 비용을 부과하는 제도를 고려하면, 온실가스 배출 감소로 연간 약 500만~1,000만달러의 탄소 배출 비용도 줄일 수 있다.

다만 전력 공급 방식의 유불리는 지역별로 달랐다. 천연가스가 저렴한 미국에서는 SOFC가 경제적이었지만, 천연가스가 비싼 한국에서는 비용을 우선할 경우 기존 전력망을 이용하는 편이 유리했다.

임한권 교수는 “데이터센터에 적합한 에너지 시스템은 지역별 에너지 가격과 전력 생산에 따른 탄소 배출량에 따라 달라진다”며 “이번 연구는 데이터센터의 규모와 지역 여건에 맞춰 비용과 탄소 배출을 줄이는 에너지 시스템 설계와 ESG 전략 수립에 도움이 될 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구 결과는 화학공학 분야 최상위 국제학술지인 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 8월14일 온라인 출판됐다.