석탄발전소에 ‘인공호흡기’…탈석탄 늦추는 AI 데이터센터

▲미국 오하이오주 뉴올버니에 위치한 인공지능(AI) 데이터 센터 및 슈퍼클러스터 프로젝트인 '메타 프로메테우스 캠퍼스'의 모습. (사진=AFP/연합뉴스)

지난해 1월 미국 조지아주의 전력회사 조지아 파워는 2028년까지 폐쇄할 계획이었던 보웬과 셰러 석탄발전소의 가동 연장 방안을 발표했다. 보웬 발전소는 2038년까지, 셰러 발전소의 3호기는 2035년까지 가동될 전망이다. 1970년대 초 상업운전을 시작한 보웬 발전소가 60년을 훌쩍 넘겨 운영되는 셈이다.

이처럼 폐쇄 예정이던 석탄발전소의 가동 기간을 전격 연장하기로 결정한 것은 급증하는 인공지능(AI) 데이터센터의 전력 수요를 충당하기 위해서다.

미국에서만 지난해 데이터센터 전력 공급 등을 이유로 가동 유예되거나 보존된 석탄발전 용량이 17기가와트(GW)를 넘어섰다. 미 에너지부(DOE) 역시 전력망 계통 신뢰성을 이유로 비상 권한을 발동해 화석연료 발전 자산의 수명 연장을 지원했다.

AI와 디지털 인프라의 폭발적 성장이 지구촌 탈석탄(coal phase-out) 전선에 뜻밖의 걸림돌로 떠오르며 대규모 추가 탄소 배출을 유발하고 있다는 실증 연구 결과가 나왔다.

홍콩과학기술대학 연구팀은 최근 국제학술지 '네이처 기후변화(Nature Climate Change)'에 발전소와 데이터센터의 지리적 근접성, 폐쇄 이력 사이의 통계적 연관성을 분석했다. 분석 결과, 데이터센터 인근에 있는 석탄발전소일수록 폐쇄 위험이 낮고, 발전소의 운영 기간도 길어지는 경향이 나타났다.

▲인공지능 데이터센터가 들어선 곳 인근에 있는 석탄화력발전소는 폐쇄가 보류되고 수명이 연장되는 경향이 있는 것으로 나타났다. (자료=인공지능 생성 이미지)

◇ 데이터센터 전력 수요, 석탄발전 퇴출의 변수로

데이터센터는 AI 모델의 학습과 추론, 클라우드 서비스 등을 뒷받침하는 핵심 인프라다. 24시간 안정적으로 전력을 공급받아야 하는 데다 최근에는 대규모 고밀도 서버를 갖춘 시설이 늘면서 전력 소비도 빠르게 증가하고 있다.

국제에너지기구(IEA)에 따르면 데이터센터는 2024년 세계 전력 소비의 약 1.5%를 차지했다. 2035년에는 전망 시나리오에 따라 세계 전력 소비의 2~4.4%에 해당하는 연간 700~1700TWh까지 늘어날 수 있다.

문제는 데이터센터가 필요로 하는 전력을 재생에너지만으로 안정적으로 공급하기 어렵다는 점이다. 태양광과 풍력은 기상 조건에 따라 발전량이 달라지는 반면 데이터센터는 밤낮없이 일정한 전력을 필요로 한다. 전력망 연결이 지연되거나 공급이 부족한 지역에서는 가스발전이나 기존 석탄발전 등 필요할 때 전력을 공급할 수 있는 발전 설비의 가치가 높아질 수 있다.

실제로 데이터센터 전력 수요에 대응하기 위한 가스발전 설비 건설과 사업장 내 자체 발전도 늘고 있다. 재생에너지와 배터리 저장장치 투자가 확대되는 흐름도 있지만, 데이터센터 주변의 전력 공급 여건은 여전히 화석연료 발전에 크게 의존하고 있다는 게 연구진의 설명이다.

▲전 세계 데이터 센터의 분포. 완공 연도와 위치 정보가 모두 확인된, 2024년 이전에 가동을 시작한 9031개 데이터 센터의 국가별 분포. (자료=Nature Climate Change, 2026)

◇ 데이터센터 인근 석탄발전소, 폐쇄 위험 14% 낮아

연구진은 글로벌 데이터센터 자료와 석탄발전소 자료를 결합해 두 시설의 공간적 관계와 발전소 폐쇄 이력을 분석했다. 분석 대상은 108개국의 석탄발전 설비 1만4146기와 전 세계 데이터센터 자료다.

분석 결과, 2020~2024년 새로 건설된 데이터센터에서 반경 25㎞ 이내에 있는 석탄발전 설비는 그렇지 않은 설비보다 폐쇄 위험이 14% 낮았다. 반면 2020년 이전에 건설된 데이터센터와 석탄발전소 폐쇄 위험 사이에서는 통계적으로 유의미한 관계가 확인되지 않았다.

특히 하이퍼스케일, 클라우드, 암호화폐 채굴, 도매형 등 대규모 데이터센터 주변 석탄발전소는 폐쇄 위험이 23% 낮았다. 데이터센터의 전력 수요가 커질수록 기존 발전 설비를 계속 운영할 유인이 커질 수 있다는 해석이다.

석탄발전소의 생존 가능성에서도 차이가 나타났다. 발전소의 평균 수명을 40년으로 가정했을 때 데이터센터에 노출된, 즉 데이터센터 인근의 발전 설비가 40년째 가동 중일 확률은 54%로, 노출되지 않은 설비의 42%보다 높았다. 데이터센터 노출도가 1표준편차 증가할 때 발전소의 기대수명은 약 1.7% 늘어나는 것으로 추정됐다.

지역별로는 중국에서 연관성이 가장 뚜렷했다. 중국은 데이터센터 산업이 빠르게 성장하는 동시에 석탄이 전력 생산에서 가장 큰 비중을 차지하는 국가다. 미국과 유럽 등 다른 지역에서도 대체로 폐쇄 위험이 낮아지는 경향이 나타났지만, 국가별 차이는 있었다.

▲데이터 센터와 석탄 발전소 폐쇄 위험. a, 25km 반경 내 데이터 센터 근접성과 관련된 석탄 발전소 폐쇄 위험비(HR). 데이터 센터 가동 시기별로 네 구간(2006년 이전, 2006~2015년, 2016~2019년, 2020~2024년)으로 나누어 분석했다. 최근으로 올수록 폐쇄 위험비가 낮아진다. b, 평균적인 데이터센터 수준을 보이는 석탄 발전소와 데이터센터가 없는 석탄 발전소 간의 생존 확률을 비교한 한계 생존 곡선(marginal survival curves). c, 2020~2024년 기간 동안 대규모 데이터 센터(하이퍼스케일, 클라우드, 암호화폐 채굴, 도매형 데이터 센터)와 기타 데이터 센터(예: 소매형 데이터 센터)가 석탄 발전소 폐쇄에 미치는 영향 비교. 큰 발전소는 최근에 폐쇄 위험비가 크게 낮아졌다. (자료=Nature Climate Change, 2026)

◇ 937개 석탄발전 설비, 추가 배출 19억6000만 톤

연구진은 2020년 이후 건설된 데이터센터의 영향을 받는 석탄발전 설비 937기를 확인하고, 이들의 수명 연장에 따른 추가 온실가스 배출량도 추정했다.

평균 가동수명 40년을 가정하고 기후변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)의 제6차 평가보고서에 제시된 2℃ 상승 제한 시나리오의 발전 이용률 경로를 적용한 결과, 이들 발전 설비는 2025년 이후 폐쇄 시점까지 이산화탄소 19억6000만 톤을 추가 배출할 것으로 추산됐다. 이는 2℃ 상승 억제를 위한 잔여 탄소예산의 약 0.19%에 해당한다.

발전소의 가동수명을 25~50년으로 바꾸고 미래 발전 이용률을 다른 기후 시나리오에 맞춰 적용하면 추가 배출량은 16억1000만~60억2000만 톤으로 달라졌다.

흥미로운 점은 수명 연장과의 연관성이 상대적으로 탄소 배출 강도가 낮고 열효율이 높은 석탄발전소에서 더 강하게 나타났다는 것이다. 발전 효율이 높은 설비일수록 같은 전력을 생산할 때 연료 소비와 탄소 배출이 적기 때문에 데이터센터 전력 공급에 활용될 가능성이 있다는 해석이 가능하다. 다만 석탄 종류에 따른 차이는 뚜렷하지 않았다.

◇ 디지털 산업의 탄소 영향, 전력계획에 반영해야

홍콩과기대 연구팀의 이번 연구는 데이터센터가 재생에너지 확대를 촉진하는 한편, 기존 화석연료 발전소의 퇴출을 늦추는 양면적 영향을 가질 수 있음을 보여준다. AI 산업의 전력 수요를 충족하는 과정에서 신규 발전소 건설뿐 아니라 기존 석탄발전소의 운영 기간까지 영향을 받을 수 있다는 것이다.

연구팀은 “디지털 인프라의 확장이 탄소중립 경로에 미치는 영향을 전력·기후 정책에 반영해야 한다"고 강조했다.

데이터센터의 전력 수요를 충족하는 데 그치지 않고 재생에너지 조달, 전력망 확충, 저장장치 확보와 함께 기존 화석연료 발전의 감축 일정까지 통합적으로 관리해야 한다는 의미다.

다만 이번 연구 결과를 놓고 데이터센터가 바로 인근의 석탄발전소의 수명 연장을 결정한다고 해석하는 것은 곤란하다. 개별 발전소의 폐쇄 결정에는 전력 수급 상황, 전력시장 제도, 정부 정책, 발전소 운영비용 등 다양한 요인이 작용하기 때문이다.

강찬수 기후환경 전문기자 kcs25@ekn.kr