데이터센터 냉각시스템으로 액화가스(LNG) 냉열을 이용하는 기술이 개발된다. 특히 이번 연구는 LNG의 잠열과 냉매로 CO₂를 이용한다는 특징이 있어 R&D가 성공할 경우 혁신적인 기술이 등장할 것으로 기대를 모으고 있다.

지난해 카카오 데이터센터 화재로 카카오 모빌리티, 플랫폼, 이커머스, 카카오페이, 콘텐츠 등 많은 국민들이 사용하는 시스템이 먹통이 되는 사태가 발생했다. 이후 방송통신재난대책본부 설치, 범정부 사이버안보 TF구성 등이 추진될 정도로 우리 사회에서 데이터센터가 갖는 의미가 커졌다.

데이터센터와 같은 고밀도 전산환경에서는 주변의 사건·사고에 영향을 최소화하도록 분산시스템을 갖추는 것이 중요하다. 냉각시스템의 경우 전기에 의존하지 않는 LNG냉열은 보완적 냉각시스템으로써 에너지절감 및 온실가스 감축효과는 물론 재난사고에 대한 효과적인 위험분산 효과도 얻을 수 있다.

이에 따라 과학기술정보통신부는 2024년 12월31일까지 총사업비 58억900만원 규모의 ‘액화가스 냉열을 이용한 데이터센터 냉각시스템 개발 및 성능평가’ 연구과제에 착수했다.

이번 연구개발은 선유이앤씨(대표 구연걸·이동건)가 주관기관을 맡았으며 주관 위탁기관으로는 고등기술연구원(원장 김진균)이, 공동연구기관으로는 시앤시인스트루먼트(대표 조병순), 한국냉동공조산업협회(회장 강성희), 테라플랫폼(대표 서천석) 등이 참여한다.

선유이앤씨는 국내 최초로 LNG냉열을 이용한 저온물류센터 개발경험이 있는 핵심 기술인력을 확보하고 있으며 LNG냉열 이용 실내스키돔 등 테마파크 조성사업 기술자문 경험, LNG냉열 원천특허 등을 보유하고 있다.

현재 에너지 다소비시설인 데이터센터는 전기구동 냉각시스템을 주로 사용하고 있다. 최근 랙당 전력밀도 상승으로 인해 전력소비량이 급증함에 따라 에너지효율 향상 및 대체에너지 개발이 필요한 상황이다.

LNG냉열은 많은 에너지가 버려지는 미활용에너지로 적극적인 활용이 필요하지만 아직 국내에서는 이를 활용해 데이터센터 냉각시스템으로 채택한 사례가 없다. 데이터센터는 시설특성상 높은 안정성이 보장돼야 하므로 LNG냉열을 활용한 냉각시스템기술 사업화를 위해 신규기술 확보와 함께 안정성에 대한 검증이 요구된다.

이번 연구개발사업은 △ICT를 이용한 냉열이용 냉각시스템 모니터링 및 관리솔루션 개발 △냉각시스템의 지능형 고장감지 및 진단기술 개발과 안전도 검증기술 확보 △액화가스 냉열이용 데이터센터 냉각시스템 표준 정립 등이 핵심이다.

현재 데이터센터에 적용되는 전기식 냉각시스템을 LNG냉열을 활용한 냉각시스템으로 대체함으로써 전기사용량과 탄소배출량을 획기적으로 절감하고자 하는 이번 연구개발은 LNG냉열을 이용한 초저온 물류창고 냉각시스템 구축경험을 보유한 선유이앤씨를 중심으로 ICT 전문, 안전·사업화 전문, 표준화전문 공동연구개발 기관들이 유기적으로 협력해 추진된다.

IP(지식재산권) R&D 기반으로 국내 특허출원 12건, 해외 특허출원 6건 등을 통해 원천기술을 확보하는 한편 비즈니스모델 개발을 통한 사업화를 진행하며 최종적으로는 시제품 성능평가가 가능한 TRL(기술숙성도) 6단계가 목표다. 이와 함께 데이터센터 냉각시스템 구축 및 실증을 위해 사전 실증사이트 확보도 추진된다.

먼저 R&D 핵심기술개발 내용 중 ‘LNG냉열 활용 냉각시스템 개발’은 △33RT급 냉각시스템 시제품 설계·제작 △시제품 무부하 자체성능평가 △실증사이트 구축 및 실증운전 △실부하 공인시험평가 및 스케일업 설계 △냉각시스템 운전메뉴 개발 등이 세부내용으로 포함됐다.

또한 ‘냉각시스템 모니터링 및 관리솔루션 개발’은 △맞춤형 센서개발 △관리플랫폼 구축 △COP 모니터링(열교환기 효율관제) △데이터센터 에너지 및 환경모니터링·알림 등으로 구성된다.

이와 함께 ‘냉각시스템 지능형 고장감지·진단기술개발’을 통해서는 △맞춤형 센서개발 △관리플랫폼 구축 △전력량, 진동센서 등 IoT센서분석을 통한 설비고장 감지·진단 △이상징후 알림 등이 개발될 전망이다.

‘냉열이용 데이터센터 냉각시스템 표준정립’ 부문에서는 △데이터센터 냉각시스템 단체표준(안) 개발 △냉각시스템 구축 및 운영 시 사용자 안전매뉴얼(안) 개발 △냉각시스템 보급확산을 위한 법·제도·정책 조사 및 분석 등이 추진된다.

이를 바탕으로 ‘실증 및 성능평가’ 단계에서는 △에너지 30% 절감 △CO₂ 20% 저감 △전력사용효율지수 PUE 1.3 이하 △공조효율지표 RCI 96% 이상 △공인시험평가 등을 목표로 R&D가 진행된다.

시스템 개념도를 살펴보면 LNG 탱크로리를 통해 운반된 LNG가 기존 도시가스 배관과 연결되는 계통 중간에 열교환기를 통해 10℃ 수준인 CO₂를 5℃까지 감온함으로써 LNG 냉열을 회수해 데이터센터 냉각에 활용한다. 또한 연료전지를 기존 도시가스 배관계통 중간에 연결해 흡수식 냉동기와 시스템을 구성한다. 이는 LNG냉열을 활용한 후 기화된 가스를 연료전지 발전연료로 쓰고 발전과정에서 나오는 폐열을 이용해 흡수식 냉동기를 구동함으로써 데이터센터 냉각열을 추가로 확보하는 기술이다.

만약 LNG 인수기지 인근에 데이터센터를 구축할 경우 활용할 수 있는 LNG냉열이 풍부해 이 에너지만으로도 데이터센터 냉각열 확보가 가능하다.

이번 연구개발에 따라 CO₂ 냉매 기화 잠열 냉각시스템이 개발되면 현열을 이용하는 현재방식 대비 유량이 13.3배 감소하고 펌프동력이 5.9배 감소할 것으로 기대된다. 냉매인 CO₂의 잠열까지 이용하므로 순환유량이 적고 이에 따라 배관크기도 작게 설치할 수 있다. 또한 펌프 소요동력이 작아지며 소형·경량화도 가능한 연쇄효과를 얻을 수 있을 전망이다.

연구단은 이번 R&D의 8대 혁신성으로 △탄소배출량 대폭감소로 ESG경영에 기여 △LNG냉열 이용율 극대화 가능 △기존 데이터센터 냉각시스템대비 시스템 소모전력 70% 이상 감소 △기존 데이터센터 냉각시스템대비 에너지효율 70% 이상 감소 △친환경 자연냉매 사용 및 잠열이용에 따른 냉매사용량 1/4 감소 △실시간 상시모니터링 가능 △실시간 고장·진단·안전대응 가능 △표준화기술 보급확산모델 가능 △냉동·냉장시스템에서 제상에너지효율 향상 등을 제시했다.

총괄을 맡은 선유이앤씨의 관계자는 “잠열방식 냉각시스템은 기존 현열방식 냉각시스템에 비해 자연냉매인 CO₂를 사용하고 순환펌프 부하가 감소해 에너지효율이 크게 향상됨에 따라 현열제품대비 에너지효율 혁신성이 탁월하다”라며 “기존 전기식 냉각시스템대비 에너지절감이 30% 이상 가능하며 CO₂ 역시 20% 저감할 수 있을 것으로 예상되며 이러한 기술이 국산제품으로 개발되면 탄소중립 달성 측면에서 세계 최고수준의 혁신적인 원천기술이 탄생할 수 있을 것으로 기대된다”고 강조했다.