AI 열풍으로 성큼 다가온 전력 위기

미국 캘리포니아주 옥스나드에 있는 천연가스 발전소. 사진 EPA연합

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인공지능(AI)의 눈부신 발전으로 데이터센터 산업이 함께 성장하면서 전 세계적으로 전력난 우려가 커지고 있다. 특히 본격적으로 생성 AI(Generative AI) 붐이 분 2022년 이후 북미의 신규 에너지 수요가 두 배 증가하면서 전력 확보는 AI 기업들이 당면한 최대 과제가 됐다. 이에 따라 전력 산업 효율화는 글로벌 이슈가 됐고, 글로벌 증시에서는 태양광·풍력에서부터 원전·수소까지 ‘AI 전력난’을 대비하려는 전방위적인 매수세가 이어지고 있다. AI 반도체는 많은 전력을 소비한다. 일례로 생성 AI의 대명사인 챗GPT를 사용해 1회 검색 시 사용되는 전기는 2.9W(와트)로, 구글에서 1회 검색 시 사용하는 0.3W의 10배에 달한다. AI 모델을 구동하는 데이터센터라면 더 막대한 양의 전력을 소모한다. 데이터센터는 서버, 네트워크, 스토리지 등 IT 서비스 제공에 필요한 장비를 한 건물 안에 모은 시설이어서 24시간 전력이 필요하다. 데이터센터 한 곳당 연간 전력 사용량은 평균 25 (기가와트)로 4인 가구 기준 6000가구 사용량과 맞먹는다.필자는 “전력 시스템의 주요 구성 요소 모두 스마트 그리드에 통합되어야 한다”면서 “각국 정부가 전력부문에 대한 장기 투자를 지원해 스마트 그리드 시스템 개발을 도와야 한다”고 주장한다.

많은 사람은 전기를 당연하게 여긴다. 스위치를 켜면 불이 들어오기를 기대한다. 하지만 발전, 송전, 배전을 포함한 전력 시스템의 용량과 회복력은 보장되지 않으며, 이러한 시스템이 고장 나면 경제 전반에 걸쳐 정전이 발생한다.

최근 전기전자공학협회가 후원한 전기에너지학회(PES) 모임에 참석했다. 전 세계에서 1만3000명이 넘는 업계 전문가와 첨단 장비 및 시스템을 전시한 수백 개의 기업이 참석한 그날의 행사는 활기가 넘쳤다.

‘불가능은 없다’는 정신이 만연해 있음에도 불구하고 회의에 참석한 모든 사람은 이상 기후의 빈도가 늘어난 것을 신호탄으로 전력 부문이 엄청난 도전에 직면하고 있다는 사실을 알고 있었다. 이제 기업들은 정전 후 전력을 보다 신속하게 복구할 수 있는 혁신적인 방법을 고안하기 위해 노력하고 있으며, 충격에 대한 회복력을 높일 수 있는 인프라에 투자하고 있다. 여기에는 시스템 자체가 산불 같은 충격을 유발하거나 악화시킬 위험을 최소화하기 위한 노력도 포함된다.

더욱이 전력 부문은 친환경 전환에 진전을 이루어야 하는 과제를 안고 있다. 온실가스 배출량을 줄이는 동시에 경제를 위한 안정적인 전력 공급을 유지해야 한다는 뜻이다. 재생에너지는 화석연료와 다른 방식으로 작동하기 때문에 이는 발전뿐만 아니라 저장을 포함한 송배전이 달라져야 한다는 의미가 된다.

그러는 사이에, 전기 자동차 보급과 데이터센터 및 클라우드 컴퓨팅 시스템의 급속한 성장 등으로 인해 전력 수요는 급증할 것으로 예상된다. 특히 AI 시스템 관련 전력 수요는 향후 몇 년 동안 기하급수적으로 증가할 전망이다.

마이클 스펜스 스탠퍼드대 스턴경영대학원 경제학 교수 프린스턴대 철학, 하버드대 경제학 박사, 2001년 노벨경제학상 수상

① 2027년까지 AI 분야에서만 전력 소비량이 네덜란드의 전력 소비량과 비슷한 연간 85~135TWh(테라와트시)에 달할 것이라는 추정치도 나왔다.

이 같은 문제를 해결하기 위해서는 전력시스템의 세 가지 구성 요소 모두 디지털 시스템 그리고 점차 AI에 의해 관리되는 소위 스마트 그리드에 통합되어야 한다. 하지만 스마트 그리드를 개발하는 것은 결코 쉬운 일이 아니다. 우선 (수요·공급의) 탄력성이 크고 변동이 심한 여러 에너지원을 관리하고 이를 전력망에 통합하는 데 필요한 가정용 스마트 계량기, 분산형 에너지 자원 관리 시스템(DERMS) 등 다양한 장치와 시스템이 필요하다. 또한 이러한 시스템은 디지털 기반 위에 구축되기 때문에 안정성과 회복력을 유지하기 위해 효과적인 사이버 보안 시스템이 필수다.

이 중 어느 것 하나 저렴하진 않을 것이다.

② 국제에너지기구(IEA)는 2050년까지 세계 경제가 넷 제로(탄소 순 배출 제로)를 달성하려면 2030년까지 전 세계적으로 스마트 그리드에 대한 연간 투자가 현재 3000억달러(약 409조9200억원)에서 6000억달러(약 819조8400억원)로 두 배 늘어나야 한다고 추산한다. 이는 전체 에너지 전환에 필요한 연간 4조~6조달러(5465조~8198조원)의 자금 중 적지 않은 부분을 차지한다. 하지만 지금까지 필요한 투자가 이루어지지 않고 있다. 선진국 사이에서도 스마트 그리드 투자 자금 격차는 1000억달러(약 136조6400억원) 넘게 벌어졌다. 이러한 모든 과제를 해결하려면 대단히 복잡한 시스템 전반에 걸친 조직적인 실천이 필요하다. 미국의 경우가 딱 들어맞는 사례다. 미국에 있는 약 3000개의 전기 유틸리티(수도·전기·가스 등 공익사업) 기업들은 발전, 송배전을 다양한 조합으로 운영할 뿐만 아니라 발전과 배전 사이의 중개자로서 시장을 조성하는 역할도 담당하고 있다. 미국 각 주에는 자체 규제 기관이 있으며, 지자체가 지역 배전을 규제할 수 있다. 미국의 원전 인프라는 연방 에너지부에서 관리하는데, 연방 에너지부는 연구 자금을 지원하고 2022년 시행된 인플레이션 감축법(IRA)에 따라 전력 부문 투자에 자금을 지원한다. 여기에 더해 미국 환경보호청은 에너지 전환의 방향과 속도를 설정하는 데 중요한 역할을 한다.

다른 기관들은 3대 주요 전력망이 있는 지역과 이들 간의 상호 연결을 감독한다. 예를 들어, 비영리 단체인 북미전력안정공사(North American Electric Reliability Cor-poration)는 캐나다와 인접한 미국, 멕시코 일부의 상호 연결된 전력 시스템을 모두 포괄하는 6개 지역 기관을 책임진다.

전력 시스템이 필요로 하는 혁신을 이루려면 관련 투자에 필요한 자금을 조달하는 방법, 궁극적인 비용 지불 주체 그리고 복잡하고 기술적으로 정교하며 빠르게 진화하는 스마트 그리드 시스템 조정 방식을 파악해야 한다.

각국 정부의 자금력 없이 필요한 투자를 어떻게 집행할 수 있을지 상상하기 어렵다. 특히 공정한 경쟁 환경 조성을 가능하게 하는 표준화된 탄소 배출권 가격 시스템이 없는 미국에서는 더욱 그렇다.

③ 따라서 지난 4월 조 바이든 행정부가 전력 부문의 구조적 변화를 지원하고 가속화하기 위한 다양한 이니셔티브와 투자 계획을 발표한 것은 반가운 소식이다.

누가 비용을 지불해야 하는지에 대한 답은 복잡하다. 원칙적으로 비용을 절감하거나 서비스 품질과 안정성을 향상시키는 투자는 요금에 반영되어야 한다. 문제는 서비스 품질을 개선하는 투자가 그리드에서 서로 다른 자산을 소유한 여러 주체에 분산되어야 한다는 것이다. 규제 구조가 고도로 분산된 상황에서 이러한 모든 관세 변경과 이전을 조정하는 것은 잘해봐야 버겁기만 할 수 있다.

탄소 배출 감축이라는 전 세계적으로 도움이 되는 목적을 포함해 친환경 에너지 전환을 촉진하는 투자에 관해서는 누가 비용을 지불해서는 안 되는지 우리는 잘 알고 있다. 바로 지역사회다. 실제로 이러한 투자 재원을 마련하기 위해 지역 단위의 요금을 부과하는 것은 비효율과 투자 부족을 초래할 수밖에 없다. 또한 기존 시스템에 문제가 있는 지역 소비자가 더 큰 비용을 지불해야 할 이유가 없는 점에서 공정하지 않다. 이러한 요구를 받는 지역사회는 저항할 가능성이 크다.

더 나은 접근 방식은 확장된 연방 산업 정책을 통해 전력 부문에 대한 장기 투자를 지원하고 조정할 뿐만 아니라 복잡하고 상호 연결된 스마트 그리드 시스템의 개발을 유도하는 것이다.

이 시스템에는 복잡하고 공정하며 효율적인 구조 전환을 수행하기 위해 기업, 규제 기관, 투자자, 연구자 및 PES 같은 산업 조직과 협력할 은행 관계자와 설계자가 필요하다.

각국 정부는 이 두 가지 역할을 모두 수행하기 위해 참여해야 한다.

ⓒ프로젝트신디케이트

① 알렉스 드 브리스 네덜란드 암스테르담대 연구원은 최근 저널 줄(Joule)을 통해 전 세계 AI의 전력 소비량이 2027년에 134 를 넘어설 수 있다는 연구 결과를 발표했다. 아르헨티나, 네덜란드, 스웨덴에서 연간 소비하는 전기와 맞먹는 수준이다. 참고로 세계 최고 AI 기업 중 하나인 엔비디아가 제작한 AI 서버 제품의 연간 전력 소비량은 5.7~8.9 다. 엔비디아는 올해 AI 서버를 10만 대 제작할 것으로 추정된다.

② 넷 제로는 지구 기후에 변화를 초래하는 온실가스 배출과 흡수가 서로 균형에 이른 상태로, 파리기후변화협약에 따라 산업화 이전(1850~1900년) 대비 기온 상승 폭을 1.5℃ 이하로 유지하기 위해서는 2050년까지 넷 제로를 이뤄야 한다. IEA에 따르면 2050년 넷 제로 달성이라는 파리기후변화협약의 목표를 이루기 위해서는 향후 30년간 세계경제에 전체적인 변화가 필요하다. 2035년까지 기존의 가솔린 차량 판매를 종료하고 2040년까지 100% 청정에너지 사용에 도달하며 2045년까지 난방 수요의 절반 이상을 히트펌프로 사용해야 한다.

③ 미국의 조 바이든 행정부는 2025년부터 온실가스를 배출하지 않는 모든 청정에너지 시설에 세액 공제 혜택을 제공하기로 했다. 미 재무부는 5월 29일(현지시각) 이 같은 내용을 담은 인플레이션 감축법(IRA)상 청정 전기 생산 및 투자 세액 공제 규칙안을 공개했다. 새 규칙안은 내년부터 IRA상 생산세액공제(PTC)와 투자세액공제(ITC)를 대체하는 것으로, 온실가스 순(純) 배출 제로인 모든 청정에너지 시설에 대한 미국 정부 차원의 첫 인센티브 지급 조치라는 의미가 있다.