[AI] 길이 필요없는 전기, SMR

 

 

미국 전력망 기반시설이 AI 전력수요에 비해 턱없이 부족한 실정이다. 데이터센터는 더 이상 부동산개발의 영역이 아니라, 산업의 기초가 되는 시설이다. IEA(국제에너지지구) 2024 전기 보고서에 따르면, 생성형AI 1회 검색에 평균 2.9Wh의 전력이 사용된다고 하는데, 이는 구글의 1회 검색(평균 0.3Wh) 대비 10배에 달한다.

용인 반도체 클러스터에는 AI칩(AI용 반도체) 공장 10개가 지어질 예정인데, 정부가 예상하는 전력공급량은 10GW 수준으로 한국 전체 발전용량(110GW)의 10% 수준이다. AI칩 공장 1곳을 가동하는데, 원전 1~2기 발전용량(2~4GW준)이 필요할 수도 있다는 말이 과언이 아니다. AI칩의 전기사용량이 큰 이유는 클린룸 유지비용이 대폭 증가하기 때문이다.

 

클린룸(Clean Room)은 먼지·입자·세균을 극도로 통제(미세먼지 및 온습도 제어, HVAC 상시운영 등)한 작업공간으로, 기존의 생산공정에서도 전체 에너지 소비의 40% 이상을 차지했다. AI칩과 같은 고집적(3nm 이하) 생산공정에서는 더 정밀한 환경이 요구되어, 기존보다 더 큰 에너지가 요구된다. AI수요 폭증은 공장규모 확대 뿐만 아니라 클린룸의 비중(기존 40% 수준)도 증가하게 되면서, 전력인프라(재생에너지·원전 증설)를 동반해야 한다. AI칩 공장 클린룸은 기존의 수천㎡ 단위(표준화)가 아닌, 수만㎡까지 확장되어야 한다.

반응형

안전하지 않은 길, 송전

 

송전철탑과 연결된 케이블은 대부분 초고압이고, 그로 인한 전기장·자기장의 영향으로 인체에 유해할 가능성이 있다. 송전탑이 세워지고 고압송전선이 마을을 지나간 후에, 발암·소아백혈병·불임 등의 유병률이 증가하는 경향성이 있다는 주장이 있다. 심지어 가축·작물도 쉽게 죽는다고 한다. 하지만 정부·한전은 전자파(자기장 노출)과 발암과의 상관관계를 쉽게 인정하지 않는다. 송전탑에서는 웅웅거리는 소리가 을씨년스럽다. 전력수송은 크게 다음과 같이 2개로 구분된다.

배전 : 발전소 - 변전소
송전 : 변전소 - 사용처

발전소의 생산전력은 시간당 생산되는 전기에너지의 양으로, 다음과 같다.

 

P(전력) = V(전압) × I(전류)

 

초전도체를 제외한 모든 도선에는 저항이 있는데, 전류는 저항을 통과하면서 전기에너지 일부를 열에너지로 방출한다. 저항에 의해 손실되는 전력은 전류세기(I)의 제곱과 비례하는데, 물론 저항(R)과도 비례한다. 송전용량을 높이면서 전력손실률을 줄이기 위해 가장 효과적인 방법은 저항을 줄이기 보다는 제곱효과가 있는 전류세기를 줄이는 것이다. 동일전력을 사용할 경우, 전압이 220V인 가정이 110V 가정보다 전력손실을 4배 감축할 수 있다. 또한 저항을 줄이기 위해서는 도선의 길이를 짧게 하거나 굵게 해야 하는데, 그러기 위해서는 발전소와의 거리를 짧게 하거나 비용문제가 생기게 된다.

송전선에 흐르는 전류세기를 줄이기 위해서는 변압기를 사용하여 전압을 높이게 되는데, 일반적으로 발전소에서 생산된 전기는 변전소에서 승압하여 154kV·345kV로 송전한다. 발전소가 아닌 변전소까지 배전한 다음에 승압을 하는 이유는 비용문제와 연관이 있는데, 높은 전압을 사용하는 시설은 그에 준하여 절연등급을 만족해야 하기에 고가의 발전기가 필요하다. 그래서 생산용량과 공급처와의 거리를 감안하여, 적절한 발전전압·송전전압을 결정한다. 발전기의 정격전압(kV)은 발전용량과 비례하여 증가하며, 아래와 같이 다양하다.

수력발전기 : 3.3, 6.6, 11, 13.2, 13.8, 15.4, 16, 18
화력발전기 : 12.6~26
원자력발전기 : 20, 22, 24

송전전압 220kV까지는 발전전압(발전기 출력전압)의 단순배수로 격상시키는데, 배수격상을 채택한 이유는 새로운 전압에 맞는 기기 등의 설계·개발 용이성 때문이다. 발전전압 11kV·22kV는 그대로 송전전압이 되었고, 그 보다 큰 전압은 다음과 같이 배수로 결정되었다.

발전전압 11kV·22kV * 배수(N) = 33kV·66kV·77kV·154kV
발전전압 20kV × 10배 × 선간전압(Root3) = 346.4kV
발전전압 22kV × 20배 × Root3 = 762kV

길을 대폭 없앤, SMR

AI와 데이터센터의 수요가 지속적으로 증가하고 있는 가운데, 향후 몇 년 내로 대량전력(기가와트급)이 필요할 것이라는 전력수급의 한계가 지적되어 왔었다 소형모듈원자로(SMR)은 주요기기(원자로·증기발생기·가압기·냉각재펌프 등)을 하나의 용기에 일체화한 300㎿ 이하 출력의 소형원자로를 말하는데, 대량의 에너지와 함께 탄소중립을 실현시킬 청정에너지원이다. 최근 미국·한국 증시에서 SMR 관련주가 크게 오르고 있는데, 그 배경에는 AI기업의 데이터센터 전력을 SMR을 통해 공급받기로 결정했기 때문이다. AI알고리즘 과정에서 막대한 컴퓨팅 파워가 필요하고, 빅테크는 송·배전 인프라 없는 SMR을 공장 근처에 설립하고자 한다.

 

국내에서도 2024년 6월 군위 첨단산업단지에 혁신형 소형모듈형원자로(i-SMR) 건설을 추진한다는 발표가 있었는데, 이는 경수형 SMR(3.5세대)이다. 전세계는 수십년 간 경수형 대형원전에만 집중해 왔으며, 현재 3세대 경수형 대형원전을 운영하고 있다. SMR은 3세대 경수형 대형원전에서 발전된 소형화·모듈화 원전을 통칭하며, 냉각재의 종류에 따라 구분하게 된다. 

 

경수형 SMR(3.5세대) : 물(기존 원전과 동일)

비경수형 SMR(4세대) : 액체소듐·헬륨·용융염 등

 

액체소듐은 끓는 점이 880℃로 물보다 높아, 더 많은 열을 흡수하면서 발전출력을 높일 수 있다. 소듐은 나트륨과 같은 원소이다. 1807년 소듐(sodium)이 수산화나트륨 전기분해로 인해 발견되었는데, 아라비아어 소다(soda, 탄산나트륨)을 따서 명명했다. 1814년 베르셀리우스가 라틴어 나트륨(natrium)을 소듐의 학술명으로 제안했는데, 이는 나트론(natron, 탄산나트륨 광물)에서 유래했다. 이후 유럽학계에서 나트론 주장이 확산되면서, 원소기호가 Na(natrium)가 된다.