< 김선영 기자 > 미국 전역과 전 세계적으로 데이터 센터가 인공지능의 광범위하게 증가하는 사용을 지 원하기 위해 데이터 센터가 확장됨에 따라 에 너지 수요가 급증하고 있다. 이런 대규모 시설 에는 서버라고 불리는 강력한 컴퓨터가 가득 차 있고, 이 컴퓨터는 복잡한 알고리즘을 실행 해 AI 시스템이 방대한 양의 데이터로부터 학 습하도록 지원한다. 이 과정에는 엄청난 컴퓨 팅 파워가 필요하며, 이는 막대한 양의 전기를 소비한다. 단일 데이터 센터는 종종 소도시의 전력 수요에 필적하는 전력을 사용한다. 이러 한 높은 전력 수요는 지역 전력망에 부담을 주 며, 공공 서비스 업체들은 데이터 센터와 주변 지역 사회에 안정적으로 전력을 공급할 충분 한 에너지를 공급하기 어렵다. 문제는 막대한 전기를 소비하는 만큼 전력 공급을 늘려야 하는데 이 비용이 급등한다는 점이다. 전력회사는 더 높은 수익을 얻기 위 해 민간 공급을 줄이고 데이터 센터에 공급을 늘린다. 이렇게 되면 전력 대란이 발생할 수 있고 전기 가격이 오르고 공급은 줄면서 가난 한 계층은 충분한 전기를 사용할 수 없을 수 있다.

미묘한 균형의 붕괴 데이터 센터의 전력 수요는 시설의 컴퓨팅 처리량에 따라 하루 종일 크게 변동한다. 예 를 들어, 데이터 센터가 갑자기 많은 AI 연산 을 수행해야 하는 경우, 단 몇 초 만에 전력망 에서 막대한 양의 전기를 소모한다. 이런 급격 한 전력 급증은 지역 전력망에 문제를 일으킨 다. 전력망은 전력 공급과 수요의 균형을 맞추 도록 설계되었다. 수요가 갑자기 증가하면 이 런 균형이 깨져 전력망의 세 가지 중요한 측면 에 영향을 미친다.

전압은 물 호스의 압력처럼 전기를 움직이 게 하는 힘으로 생각할 수 있다. 너무 많은 데 이터 센터에서 동시에 전기를 수요하기 시작 하면 마치 건물에서 수도꼭지를 너무 많이 틀 어 수압을 낮추는 것과 같다. 급격한 수요 변 화는 전압 변동을 일으켜 전기 장비를 손상시 킬 수 있다. 주파수는 전류가 네트워크를 통해 전원에서 부하 수요까지 이동할 때 초당 얼마 나 왕복하는지를 측정하는 단위다. 대부분의 주요 국가에서는 주기적으로 방향을 바꾸는 교류( AC) 로 전기를 송전한다. 전력망은 일반 적으로 초당 50 또는 60 헤르츠( Hz) 라는 안정 적인 주파수로 작동하고, 미국 전력망은 60Hz 로 작동한다. 전기 수요가 너무 높으면 주파수 가 떨어져 장비가 오작동한다. 전력 균형은 전기 공급과 수요 간의 지속적 인 실시간 일치를 의미한다. 안정적인 전력 공 급을 유지하려면 발전량이 소비량과 맞아야 한다. AI 데이터 센터가 갑자기 더 많은 전력 을 요구한다면, 이는 시스템이 공급할 수 있는 것보다 저수지에서 더 많은 물을 끌어올리는

것과 같다. 이는 정전으로 이어지거나 전력망 이 예비 전력에 의존하게 만든다. 도시에 있는 AI 데이터 센터 운영 결정은 전력 공급에 실 시간으로 변화를 가져온다. 데이터 센터는 피 크 운영 시 20 메가와트( MW) 의 전력을 필요 로 한다. 이는 1 만 가구가 동시에 에어컨을 켜 는 것과 같은 수준이다. 이는 데이터 센터로서 는 큰 규모이지만, 일부 대형 시설은 100 메가 와트 이상을 소비한다. 많은 산업용 데이터 센 터가 이 정도의 전력을 소비한다. 예를 들어, OpenAI 의 ChatGPT 와 같은 서비스를 구동 하는 마이크로소프트 아주레( Azure) 클라우 드 플랫폼을 지원하는 버지니아주에 있는 데 이터 센터와 구글 제미나이( Gemini) 를 포함 한 다양한 AI 워크로드를 지원하는 오리건 주 에 있는 구글 데이터 센터가 있다. 센터의 부하 프로필( 24 시간 주기 동안의 전 력 소비량) 에는 급격한 수요 급증이 포함된 다. 예를 들어, 센터가 모든 AI 훈련 작업을 전력 요금이 저렴한 야간에 배정할 경우, 지역 전력망은 해당 시간대에 갑자기 전력 수요가 증가한다. AI 데이터 센터의 간단한 가상 부 하 프로필을 보면, 전력 소비량을 메가와트 단 위로 보여준다. 오전 6 시 ~ 8 시: 10MW( 수요 감소) 오전 8 시 ~ 오후 12 시: 12MW( 수요 증가) 오후 12 시 ~ 오후 6 시: 15MW( 업무 시간으로 인한 수요 증가) 오후 6 시 ~ 오전 12 시: 20MW( AI 학습 작업 으로 인한 최대 수요) 오전 12 시 ~ 오전 6 시: 12MW( 유지보수 작업 으로 인한 수요 증가)

전력 회사는 이런 부하를 관리하고 전력망 에 부담을 주지 않기 위한 몇 가지 검증된 전 략을 실행에 옮기고 있다. 우선, AI 데이터 센 터가 전체 전력 수요가 낮은 비수요 시간대에 전력을 가장 많이 사용하는 작업을 예약하도 록 유도하는 가격 책정 메커니즘을 개발하고 있다. 수요 반응이라고 불리는 이런 접근 방식 은 부하 분포를 완화해 전기 사용량의 급격한 증가를 방지한다. 그리고, 수요가 낮을 때 전 기를 저장하고 수요가 급증할 때 방전하는 대 용량 에너지 저장 장치를 설치해 전력망의 부 하를 완화한다. 다음은 태양광 패널이나 풍력 터빈을 에너 지 저장 장치와 결합해 전기를 생산함으로써 수요가 증가하는 시기에 전력을 공급하고 있 다. 마지막으로 데이터센터 근처에 새로운 발 전 용량을 추가하려고 하지만 비용 상승으로 지연이 생기고 있다. 버지니아 주에서는 도미 니언 에너지( Dominion Energy) 가 가스 발 전기를 설치하고 소형 모듈형 원자로를 배치 하는 동시에 태양광, 풍력 및 저장 장치에 투 자할 계획이다. 전력망 관리자는 고급 소프트 웨어를 사용해 AI 데이터 센터에 추가 전력이 필요한 시점을 예측하고 전력망 리소스와 통 신해 상황에 맞게 조정하고 있다.

전력 공급 비용 급등 실리콘 밸리에 두 개의 새로운 데이터 센터 가 건설되었지만 정보 처리를 시작할 수 없다. 전력을 공급할 장비를 구할 수 없기 때문이다. 이는 단순히 전선을 더 늘리거나, 새로운 발 전을 승인하거나, 전력망 소프트웨어를 교체 하는 것만으로는 해결할 수 없는 전력망의 위 기 중 하나에 불과하다. 전압을 조절하는 변압 기, 고장으로부터 보호하는 회로 차단기, 여러 지역에 전력을 공급하는 고전압 케이블, 네트 워크를 연결하는 강철 기둥 등 전력망을 유지 하는 데 필요한 장비는 제작이 어렵고 재료도 제한적이다. 공급망 병목 현상은 해결에 수년 이 걸리고, 프로젝트 지연, 비용 증가, 신뢰성 위협으로 이어지고 있다. 한편, 전력 수요는 가정 및 사업장 가전제품과 장비의 전기화, 국 내 제조업 증가, AI 데이터 센터 성장 등 여러 요인으로 급증하고 있다. 적절한 장비가 없다 면 이런 노력은 수년 더 오래 걸리고 계획자들 이 예상하는 것보다 막대한 비용이 소요될 수 있다. 특히, 변압기는 전력망의 핵심 요소다. 전력이 전선을 따라 흐를 때 전압을 조절해 장 거리 송전 효율을 높이기 위해 전압을 높이고, 중거리 송전과 건물 송전 시에는 전압을 낮춘 다. 국립재생에너지연구소는 전국에 약 6,000 만 ~ 8,000 만 대의 고압 배전 변압기가 가동 중 인 것으로 추산한다. 이 중 절반 이상이 33 년 이상 사용해 예상 수명에 근접하거나 초과한 것들이다. 변압기 교체에는 비용과 시간이 많 이 소요되고 있고, 전력 회사들은 변압기 가 격이 2022 년 이전 가격의 4 ~ 6 배에 달하고, 수 년 간의 대기 시간까지 더해졌다고 보고했다. 증가하는 전력 수요를 충족하기 위해서는 현 재보다 두 배 이상 많은 변압기가 필요하다. 변압기 주문 후 제품 인도까지의 리드타임이 2024 년에 약 120 주( 2 년 이상) 에 달했고, 대형 전력 변압기는 최대 210 주( 최대 4 년) 가 소요 된다. 가정과 기업에 배전하기 위해 전압을 낮 추는 데 사용되는 소형 변압기조차도 최대 2 년까지 지연 주문이 이어지고 있다. 이런 지연 으로 인해 전력망 대부분에서 유지보수 및 신 규 건설이 늦어지고 있다. 변압기 생산은 소 수의 자재와 공급업체에 크게 의존한다. 대부 분의 변압기 코어는 방향성 전기강판을 사용 한다. 이 강판은 특수 자기적 특성을 지닌 특 수 강철로, 클리블랜드- 클리프스의 두 곳 공 장에서만 생산된다. 수입품이 오랫동안 이런 공백을 메워왔다. 대형 변압기의 약 80 % 는 역 사적으로 멕시코, 중국, 태국에서 수입되어 왔 다. 하지만 전 세계적인 수요 급증으로 인해 강철뿐 아니라 전기 전도성이 뛰어나고 배선 에 필수적인 연성 금속인 구리를 구하기가 어 려워졌다. 변압기가 건설되더라도 필요한 곳 까지 운반하는 것은 쉽지 않다. 대형 전력 변 압기는 무게가 100 톤에서 400 톤에 달하며 특 수 운송이 필요하다. 때로는 전국에 적합한 초 하중 철도 차량 10 대 정도 필요하기도 하다.

이런 물류만으로도 교체 프로젝트에 수개월 이 소요될 수 있다. 다른 전력망 장비도 지연 에 직면했다. 고전압 회로 차단기 리드타임은 2023 년 말까지 약 151 주( 약 3 년) 에 달했는데, 이는 팬데믹 이전 평균의 약 두 배에 달하는 수치다. 고전압을 처리할 수 있는 송전 케이 블, 스위치, 회로 차단기, 퓨즈를 포함하는 기 술 스위치기어, 그리고 전기가 위험한 곳으로 흐르지 않도록 보호하는 절연체 등 다양한 장 비 유형도 유사한 지연에 직면했다. 송전 프로 젝트의 경우, 장비 지연이 설치 일정을 지연시 키고 있다. 고전압 직류 케이블 조달에는 현재 24 개월 이상이 소요되며, 특히 해상 풍력 프로 젝트는 상당한 부담을 안고 있다. 해저 케이블 주문은 10 년 이상 소요된다. 또한 전 세계적으 로 50 척 조금 넘는 케이블 부설선이 운영되고 있어, 제조업체가 케이블이 제작되더라도 신 속하게 설치할 수 있는 여력이 없다. 공급망의 어려움은 전력망의 주력인 천연가 스 터빈에도 영향을 미치고 있다. 지멘스 에 너지와 GE 를 포함한 제조업체들은 신규 데 이터 센터, 산업 전력화, 피크 용량 프로젝트 등의 주문이 폭주하면서 수년 간의 수주 잔고 를 보유하고 있다. 지멘스는 최근 1,580 억 달 러에 달하는 기록적인 수주 잔고를 보고했고, 일부 터빈 프레임은 최대 7 년 동안 매진되기 도 했다.

대안적 접근 방식 이런 지연으로 인해 전력회사들은 배터리 저 장, 전력 수요의 적극적 관리, 기존 장비를 업 그레이드해 전력 생산량을 늘리거나, 심지어 폐쇄된 발전소를 재가동하는 등 수요를 충족 하기 위한 다른 방안을 모색하고 있다. 일부 전력회사는 자체 사용 또는 다른 회사에 판매 할 자재를 비축하고 있고, 이를 통해 지연 기 간을 수년에서 수주로 단축할 수 있다. 이 외 에도 다양한 노력이 있었다. 변전소 효율 요건 을 지연하는 것 외에도, 클리블랜드- 클리프 스에 전기강판 공장을 업그레이드하기 위해 5 억 달러를 지원했지만, 트럼프 행정부는 이 지 원금의 핵심 요소를 취소했다. 전력회사와 업계 단체들은 납기 단축을 위해 표준화된 설계와 모듈식 변전소 도입을 검토 하고 있지만, 이런 방안은 단기적인 해결책이 아닌 중기적인 해결책이라는 점을 인정한다. 보조금, 대출, 보증 구매 계약 등 정부의 대규 모 인센티브는 이런 자재 및 공급품의 국내 생 산 확대에 도움이 될 수 있다. 하지만 현재로서는 변압기의 경우 약 120 주, 대형 변압기의 경우 최대 4 년, 차단기의 경우 거의 3 년, 고전압 케이블 제조의 경우 2 년 이 상이 소요되는 등 여전히 심각한 상황이다. 철 강, 구리, 단열재 및 중량물 운송 등 기본적인 공급망 병목 지점이 의미 있게 확장될 때까지 공공 서비스 제공업체는 건설이 아닌 관리를 통해 안정성을 관리하고 있다.