1. 데이터센터 전력수요 증대와 직류(DC) 전력망

최근 대규모 언어모델(LLM) 등 인공지능 수요가 폭증함에 따라 인공지능 개발의 핵심 인프라인 데이터센터에 대한 수요도 함께 급증하고 있다. 글로벌 각지에서 데이터센터 건설이 활발하지만, 이들은 막대한 전력을 소모해 전력 인프라 측면에서 새로운 부담을 야기한다.

국제에너지기구(IEA)의 2024년 전력시장 전망에 따르면 2023년 전 세계 데이터센터 전력 소비는 전체 전력소비의 약 1~2% 수준이었으나, 2026년에는 3~4%까지 증가할 것으로 전망된다. 이는 약 602~1,050TWh에 달하는 사용량으로 일본의 연간 전력수요와 맞먹는 규모다.

국내 역시 데이터센터가 총 전력소비의 약 1.7%를 차지하며 2030년경 최대 4.4% 수준까지 확대될 것으로 예상, 대규모 전력 인프라 확충과 탄소중립 이행 측면에서 주요 과제로 대두되고 있다.

이러한 배경에서 직류(DC) 기반 전력망은 기존 교류(AC) 중심 송배전 시스템의 한계를 보완할 대안으로 부상하고 있다. DC 전력망은 전력 전송 효율이 높고 다수의 분산전원(태양광, 풍력 등)과의 연계가 용이하므로 데이터센터 전원 공급에 최적화된 기술로 평가된다.

특히 DC 배전 구조는 기존 AC 대비 전력 손실이 적고 배전 및 변환 설비를 단순화해 전기적 손실과 냉각 부담을 크게 줄일 수 있다. 이를 통해 데이터센터 운영비를 절감함은 물론, 신재생에너지 기반 전력 공급의 안정성도 확보할 수 있다.

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구체적인 사례로 스위스 제네바의 전력기기 전문기업 Sécheron은 MVDC 기반 데이터센터용 정류기 및 차단기 기술을 개발해 기존 대비 공간 효율성과 에너지 효율이 향상된 솔루션을 선보이고 있다.

또한 영국의 Angle-DC 프로젝트에서는 기존 33kV AC 배전망을 ±27kV MVDC로 전환해 동일한 케이블로 약 40% 이상의 전력 전송량 증대를 실현한 바 있다. 이는 대규모 전력을 안정적으로 수급해야 하는 데이터센터에 적용 가능한 유의미한 실증 사례로 평가된다.

한편 한국에서도 국내 최초의 DC 기반 데이터센터 구축이 추진되고 있다. 한국전력은 올해 4월 ㈜한화 건설부문, LG전자와 업무협약(MOU)을 체결, 서울 영등포구에 신축 중인 한화 데이터센터 일부 구간(총 10MW 규모 부하 중 1MW)에 직류 전력을 직접 공급하는 ‘전력소비 절감형 DC 데이터센터’ 실증사업을 시작했다.

기존 데이터센터는 AC로 수전한 뒤 각 IT 장비와 설비 단위에서 DC로 변환해 사용하지만, 본 사업에서는 한전이 배전단까지 저압 직류(LVDC)를 공급하고 서버와 냉각장치 일부를 DC 전용으로 운영한다. 그 결과 전력 변환 손실이 최소화되고 냉각 효율이 개선돼 약 10%의 에너지 절감 효과를 거둘 것으로 기대되고 있다.

결론적으로 DC 기반 전력망(MVDC 등)은 고효율·저탄소·고신뢰성이라는 특성을 바탕으로 차세대 데이터센터 전력 인프라의 경제적 대안이 될 수 있다. 따라서 국내외적으로 관련 기술개발 및 정책 지원, 표준화 선점에 힘쓴다면 인공지능 시대의 에너지 기반을 확보하는 전략적 과제로서 DC 전력망 혁신을 실현할 수 있을 것이다.

2. 데이터센터와 전력망 관련 정책 현황

데이터센터는 24시간 안정적인 대용량 전력 공급이 필수이므로 특정 지역에 부하가 집중되는 현상이 두드러진다. 특히 국내 전체 데이터센터의 70% 이상이 이미 전력 소비가 집중된 수도권에 위치하고 있고, 신규 데이터센터 역시 수도권에 편중되고 있다.

반면 수도권 전력망의 여력은 한계에 이르러, 10MW를 초과하는 전력 신규 신청은 계통영향평가를 통과하기 어려울 정도로 엄격한 접속 제한에 직면해 있다. 실제로 수도권에서는 전력계통 용량 부족으로 대용량 데이터센터의 추가 연결이 거의 불가능한 상황이다.

이를 해소하기 위해 정부와 산업계는 기존 교류(AC) 중심 전력망의 한계를 보완하고 전력 공급 병목을 풀기 위한 다각도의 전략을 추진 중이다. 먼저 ‘에너지 고속도로’ 정책은 수도권 수요 집중과 비수도권 재생에너지 공급 간 불균형을 해소하기 위한 장기 전략으로, 서해안 권역에 HVDC 기반 장거리 송전망 건설 등 대용량 송전 인프라 확충을 포함하고 있다. 그러나 신규 송전선로 건설은 주민 수용성 등의 문제로 표준 공정 기간(345kV 기 준 9년)보다 10년 이상 지연되는 경우가 흔할 정도로 추진이 더디다.

이에 따라 정부는 단기적으로 ESS와 수요반응(DR) 등 스마트그리드 기술을 접목해 기존 송전망의 활용률을 높이는 방안도 병행하고 있다. 실시간 제어로 전력 흐름을 최적화하는 스마트그리드 기술은 한정된 송전 자원의 효율적 활용을 돕고, 재생에너지 발전 변동성에 대응해 계통 신뢰도를 높이는 효과가 있어 이러한 송전 병목 완화의 보완책으로 활용되고 있다.

아울러 배전 단계에서의 혁신, 즉 AC/DC 하이브리드 전력망 도입에도 주목하고 있다. 한국전력공사는 지난 10여 년간 다양한 직류 배전 실증사업을 통해 DC 적용 효과를 입증해왔으며, 2024년에는 산·학·연·관 45개 기관이 참여하는 Korea DC Alliance(K-DCA)를 출범시켜 DC 생태계 기반 마련과 국제 표준화 추진에 나서고 있다. 한전이 축적한 오랜 직류 연구·실증 경험을 바탕으로 결성된 K-DCA는 분산형 직류 배전망 기술 개발에서부터 제도 정비까지 산·학·연·관의 협력을 도모함으로써 향후 배전망의 AC/DC 병행 운용 체계를 구축하는 데 기여할 것으로 기대된다.

3. 기술적 실현성, 향후 과제 및 전망

DC 배전은 100여 년간 AC 중심으로 구축된 전력망 패러다임을 전환하는 일이기에 일부 기술적 과제가 남아 있는 것이 사실이다. 대표적으로 보호계전기 및 차단기에 의한 사고 차단·격리 기술이 꼽힌다. DC는 AC와 달리 전류가 0이 되는 영점(zero-crossing) 순간이 없어 아크(Arc) 차단이 까다롭고 고속 차단기 기술이 요구된다. 또한 대용량 데이터센터에 무정전 전원을 공급하려면 기존 UPS(무정전 전원공급장치) 시스템을 DC에 대응시켜야 하는데, 이를 위한 DC UPS 개발과 DC 보호기기의 고도화도 필요할 것이다.

AC/DC 혼합 계통에서 다수의 DC 링크를 효율적으로 관리하기 위한 고급 보호 전략, 지락 사고 검출 및 차단기 정정 기술 등은 여전히 추가 연구개발이 요구된다. 더불어 국제 표준 수립과 국내 안전 기준 정비도 병행돼야 할 부분이다.

하지만 이러한 기술적 이슈들이 DC 확산의 주된 장애는 아닌 것으로 보인다. 실증 결과를 볼 때 기술적 구현은 충분히 가능한 걸로 보인다. 실제로 유럽, 미국, 중국 등 해외에서는 DC 마이크로그리드와 데이터센터 직류 전원 적용을 위한 선도 연구들이 진행되어 DC 배전의 에너지 효율성과 신뢰성을 입증해왔다.

국내에서도 앞서 언급한 영등포 DC 데이터센터 실증사업 등 초기 프로젝트를 통해 현장 데이터를 축적하고 있으며, 이를 통해 DC 배전망 운영의 실현 가능성을 확인하고 있다. 다시 말해 직류화는 기술적 장벽이라기보다 이제 실행과 협력의 과제로 인식돼야 할 단계에 이르렀다는 평가가 나온다.

한편 국내에선 DC 배전 생태계 확대를 위한 제도 기반 마련도 착수됐다. 현재 관련 인증 체계와 가이드라인이 미비해 기업들이 신제품을 제작하고 시장에 진입하는 데 어려움을 겪고 있다. 특히 차단기, 보호장치, 컨버터, 직류 부하 설비와 같은 핵심 기자재의 경우 국제표준(IEC, IEEE)은 존재하지만 국내 제도와의 정합성 부족으로 시험·인증이 어려워 기업들이 초기 시장 대응에서 불필요한 비용과 시간을 부담하는 실정이다.

이러한 공백을 해소하기 위해 정부와 한전은 직류 분야 장비의 KC 인증 및 고효율 인증 체계 정립 등 제도 개선에도 나서고 있다.

무엇보다 즉시 활용 가능한 방안 중 하나로 거론되는 것이 ‘산업융합 신제품 적합성 인증제도’다. 이 제도는 기존 KC·KS 등 인증 기준이 없거나 적용이 어려운 융합 신제품에 대해 별도의 적합성 인증 기준을 신속히 마련하여 심사하고, 이를 기존 인증과 동등한 효력을 부여하는 범부처 규제 개선 제도다.

직류 분야 제품은 표준 부재로 상용화 진입 장벽이 높기 때문에 본 제도를 활용하면 기업 입장에서는 빠르게 인증을 취득하고 초기 시장에서 경쟁 우위를 선점할 수 있을 것으로 기대된다.

종합하면 일부 추가적인 기술 개발과 표준화 작업이 남아 있으나 실증 결과를 볼 때 기술적 구현은 충분히 가능하다는 것이 전문가들의 공통된 견해다. 현재 활용 가능한 인증 특례제도 등을 적극 활용해 표준과 제도를 보완해 나간다면 DC 배전 생태계를 구축해 갈 수 있을 것이다.

정부와 업계는 이러한 인증·가이드라인·표준화의 공백을 메우는 것이 DC 산업 초기 확산의 핵심 열쇠라는 점에 인식을 같이하고 있다. 정부·협회 등은 국제표준 동향을 반영한 국내 표준과 가이드라인을 마련하고, 산업계는 규제 특례 등을 활용해 신제품 인증과 실증을 확대하고, 연구기관은 기술 검증과 안전기준 개발을 맡는 식으로 각 주체가 역할을 분담해 DC 산업의 조기 안착과 시장 활성화를 도모해야 할 것이다. 결국 DC 배전망 도입은 더 이상 기술적으로 불가능한 영역이 아니라, 실행과 협력의 과제로서 인식되고 추진돼야 할 것이다.

4. DC 도입 인식 제고 필요성

현재 DC 배전 확산의 핵심 관건으로 지목되는 것은 정작 수요처인 데이터센터 운영자 등 DC 수요처가 DC 사용의 이점을 얼마나 인지하고 있느냐다. 기술 개발과 실증이 무르익고 있더라도 정작 이를 도입할 데이터센터 측에서 투자 대비 효과(ROI)에 대한 확신이 없다면 실제 채택은 더딜 수밖에 없다. 일각에서는 직류 전환을 둘러 싸고 수요와 공급 중 어느 쪽이 먼저 움직여야 할지 ‘닭이 먼저냐 달걀이 먼저냐’하는 난항을 겪는다는 지적도 있다. 즉, 수요처는 분명한 이익이 보여야 투자를 결정하고, 설비 공급업체들은 충분한 수요가 확보돼야 관련 제품 개발에 속도를 낼 수 있다는 악순환이 반복될 우려가 있다는 것이다.

결국 수요처 입장에서 DC 전환의 이점이 체감돼야 이러한 악순환을 끊고 선순환 구조로 전환할 수 있을 것이다. 다시 말해, 먼저 움직이는 초기 도입자가 나오고 DC 시스템의 신뢰성이 검증돼야 다른 수요처로 확산이 가속될 수 있다는 것이다. 이를 위해 정부와 업계는 경제성 분석 자료를 제시하고 실증사업 결과를 공유하는 등 적극적인 정보 제공과 인식 제고 노력이 중요할 것이다.

DC 전력망을 통한 에너지 효율 향상과 운영비 절감은 데이터센터 측에서 얻을 수 있는 가장 직접적인 이점이다. 데이터센터는 전기 먹는 하마로 불릴 만큼 전력비 비중이 높아, 전체 소비전력의 약 10% 절감 효과는 수요자 뿐 아니라 국가적으로도 결코 작지 않은 비용 개선이다. 게다가 전력 변환 손실이 줄어들면 그만큼 폐열 발생이 감소해 냉각 부담까지 낮아지므로 에너지 절약 효과는 부수적으로 더욱 확대될 것이다.

이 밖에도 재생에너지 연계 용이성, 전력 품질 향상, 불필요한 변환장치 감소에 따른 설비 공간 절감 등 DC 도입에 따른 구조적 이점들도 다양하게 거론된다. 결국 이러한 장점들이 수요자에게 명확히 인식되도록 하는 것이 과제이며, 이를 위해 정부와 업계는 실증사업 결과를 투명하게 공개하고 객관적인 경제성 분석 자료를 제공해 DC 도입의 ROI에 대한 신뢰를 높이는 노력을 기울여야 할 것이다.

5. 생태계 확산을 위한 정부·공공의 마중물 역할의 중요성

AI 시대 폭증하는 데이터센터 전력 수요에 대응하기 위해 DC 전력망의 도입은 더 이상 선택이 아닌 필연적 방향으로 보인다. DC 배전은 송·배전망의 효율 향상과 함께 데이터센터의 전력비용 절감, 재생에너지 연계 강화 등 다각도의 이점을 제공해 에너지 전환과 디지털 경제를 뒷받침할 핵심 인프라로 부상하고 있다. 기술적으로도 일부 보완은 필요하지만 불가능한 영역이 아니며, 오히려 국내 기업과 연구기관의 혁신 역량을 결집하면 새로운 산업 기회로 연결할 수 있는 분야다.

이제 남은 과제는 이러한 DC 생태계의 선순환적 확산을 어떻게 이끌어낼 것인가다. 이를 위해 정부·공공 부문이 마중물 역할을 자임해 초기 시장 형성과 인식 제고를 촉진할 필요가 있다. 예를 들어 공공기관 시설에 DC 전력망을 시범 도입하고, 조달 제도를 통해 DC 인증 제품을 우선 적용하면 민간 확산의 시발점이자 마중물이 될 것이다. 이는 기업 입장에서도 초기 수요처 확보와 신뢰성 검증을 동시에 달성하는 계기가 된다. 실제 한전은 DC 전용 기자재와 시스템을 공공부문에 우선 도입하는 시범사업을 추진함으로써 민간 부문의 참여를 끌어내고자 하고 있다.

정부는 이러한 지원과 함께 제도적 기반(표준·안전 기준 등)을 마련해야 하며, 산업계는 실증사업 참여와 기술 혁신을 통해 신뢰성 있는 운영 모델을 구축해야 한다. 학계와 연구기관도 DC 전문 인력 양성과 핵심 기술 연구로 뒷받침한다면 새로운 대규모 수요처인 데이터센터의 전력망 통합에 각 주체가 기여하는 산·학·연·관 협력체계가 완성될 것이다. 이러한 전방위 협력을 통해 DC 배전 인프라에 대한 국내 표준 정립과 안전성 검증이 가속되고, 나아가 국내 기업들이 글로벌 표준 경쟁에서 주도권을 확보하는 효과도 기대된다.

이러한 역할 수행에는 K-DC Alliance와 같은 산·학·연· 관 협의체를 적극 활용할 수 있다. K-DC Alliance는 단순한 기술 협의체가 아니라, 기술개발·표준화·실증·제도 개선·수요처 발굴·정책 연계를 포괄하는 전주기적 협업 플랫폼으로서 DC 에너지 시스템 확산을 위한 전략적 협의체로 기능하고 있다.

국내 각 분야 이해관계자들이 K-DCA를 통해 한데 모여 협력함으로써, 효율적인 DC 배전망 구축을 위한 사회적 합의와 표준 선점이 보다 원활하게 이뤄질 것이다. 따라서 국내 관련 업계 플레이어들도 K-DC Alliance에 회원사로 참여해 DC 배전망 생태계 구축 노력에 동참하는 것도 좋은 출발점이 될 것이다.

정부와 공공이 앞장서 직류 배전 생태계의 마중물 역할을 하고 민간 부문이 이에 호응해 투자와 참여를 이어간다면, AI 시대에 걸맞은 차세대 전력망 혁신을 빠르게 이루어낼 수 있을 것이다.

정승환 한국스마트그리드협회 책임연구원 keaj@kea.kr

 ​출처 : 전기저널 

(http://www.keaj.kr/news/articleView.html?idxno=6053​)