[기고문] AI 시대 전력공급 문제 해결을 위한 수소정책 제안

요즈음 생성형 인공지능인 ChatGPT를 많은 사람이 애용하고 있고 모두가 그 효용에 감탄을 금치 못하고 있다. 웬만한 복잡한 요구도 몇 초 또는 길어도 수십 초 안에 정리된 답을 내놓고 이미지와 음성 인식 및 출력도 가능하다. 

그동안 문제였던 답변의 사실 여부를 확인해주는 AI도 이미 나왔고, 최근에는 AI가 다른 복수의 AI 서비스들과 상호작용을 하며 검색, 분석을 넘어 실행까지 해주는 AI 에이전트라는 서비스도 나왔다. 

만약 하와이를 여행하고 싶다면 숙식, 방문지, 일정, 예산 등 기본정보와 희망 사항을 입력하면 AI가 바로 모범답안을 만들어주고 일부 조정을 거쳐 제안이 확정되면 AI가 여행이 실제로 실행되도록 여행 관련 상대측 AI와 접촉해 일정과 방문지를 확정하고 호텔, 비행기, 차량을 예약하고 관련 예산도 집행한다. 사람은 단지 집에서 항공권을 출력해 AI가 예약한 택시를 타고 공항으로 향하면 된다.

올해 초 설립된 한 영국 법무법인은 대표변호사 1인만 사람이고 나머지 변호사는 모두 AI 변호사라고 한다. 최근 들어 이처럼 AI를 활용해 연매출이 수십에서 수백억 원에 이르는 1인 회사가 속속 출현하고 있다. 

현재 AI는 프로그래밍 실력이 웬만한 인간 프로그래머보다 뛰어나다. 2030년까지 인간 AI 개발자(프로그래머)의 80%가 AI 때문에 일자리를 잃을지 모른다는 전망도 나와 있다. 이처럼 AI가 산업 전 분야에서 경쟁력을 높이는 핵심기술로 빠르게 확산하면서 진화 중이다. 

AI 시대 최대 장애물은 신규전력 확보

AI는 분초 단위로 방대한 자료를 검색해 유의미한 답을 내놓는다. 이게 가능한 배경은 AI는 입력정보를 순식간에 병렬연산으로 처리하기 때문이다. 과거 한 대의 컴퓨터가 1개의 CPU(중앙정보처리장치)로 입력정보를 처리했다면 오늘날 AI는 글로벌 클라우딩 컴퓨팅 환경 속에서 수십, 수백, 수천 개의 CPU가 동시에 병렬로 관련 정보를 연산 처리한다. 

현재와 같은 생성형 AI(인간 신경망을 모방한 AI)가 본격화된 2018년경 AI가 검토하는 대상(파라미터) 수는 최대 1억 개 정도였으나 2024년 말에는 그 대상이 1조2천억 개 이상으로 늘어났다. 꼬마전구가 동일한 양의 빛을 발산하기 위해 직렬보다 병렬회로에서 회로 수 만큼 전류(전기)를 더 필요로 하는 것과 같은 이치다. 

AI 신경망은 빠른 진화를 통해 더욱 다층화되고 있으며, 신경망 사이의 연산처리량은 기하급수적으로 늘어나고 있다. 한편 연산량 증가에 비례하여 늘어난 방출 열을 낮추기 위해 데이터센터는 또다시 대규모 냉방전력을 필요로 한다. 

여기서 문제는 현재의 AI 수준이 AI 진화 초기단계(전력을 가장 적게 사용하는 수준), 즉 ‘약 인공지능’이라는 것이다. AI는 궁극적으로 ‘인간지능’ 수준을 목표로 하므로 앞으로 ‘범용 일반 AI(중 AI)’로 100% 진화할 것이고, 더 나아가 인간지능을 초월한 ‘초 AI(강 AI)’에 대한 도전이 적극 전개될 것이다. 이는 지금보다 수십, 수백 배의 전력이 필요한 상황이 오고 있음을 시사한다. 

이런 AI의 진화는 앞으로 10년 후인 2035년경 상용화가 전망되는 양자컴퓨터(슈퍼컴퓨터가 수천 년 걸릴 연산을 수백 초 안에 처리)로 인해 더욱 가속화될 것이다. 이처럼 ‘약 AI 시대’에도 감당키 어려운 신규 전력수요의 지속적인 확보가 한 나라의 인공지능 시대 진입 여부를 결정하는 핵심 요소가 될 전망이다. 

더 심각한 문제는 AI 시대의 본격 전개로 급속히 늘어나는 엄청난 양의 신규 전기공급을 충족시킬 전력설비(발전소, 송·변전설비) 건설은 설계부터 부지확보, 민원 등을 고려할 때 10년 이상 소요되는 장기 사업이란 점이다. 질환의 원인을 알면서도 이를 처방하는 데만 10년이 걸린다면 그 환자는 생존할 수 없다.

결론부터 말하자면 AI 시대에는 AI를 원활히 사용하는 국가와 그렇지 못한 국가로 국가경쟁력이 극명히 갈릴 것이며, 핵심요인은 얼마나 신속하고 원활하게 신규 전력공급시스템을 갖추느냐의 문제로 귀결된다.

IEA(국제에너지기구)는 데이터센터 전력 소비가 2022년(460TWh, 2023년 한국 전체 전력소비량의 4/5) 대비 2026년(최대 1,000TWh)에는 2배 이상 증가를 전망하고 있고, 이는 맥킨지(2023년)나 블룸버그 NEF(2024년)의 전망과도 비슷하다.

미국의 트럼프 대통령이 2기 정부 취임 일성으로 2050년까지 300기의 신규 원전 건설을 선언하고, 빅테크 기업 중 하나인 아마존이 최근 SK와 손을 잡고 울산에 데이터센터 건립을 발표한 것은 AI 시대에 한 국가나 거대기업의 생사가 양질의 대규모 신규전력을 안정적으로 확보하는 데 있음을 시사한다. 

이는 역으로 국내에서 충분한 전력공급이 힘들다면 대기업들은 언제든 전력 인프라가 풍부한 해외로 이동할 수 있음을 의미한다. 이미 다수의 국내 대기업이 이 문제를 심각하게 고려 중이며, 실제 일부 기업은 계열사나 해외 신규 자회사 형태로 해외 이전을 실행하고 있다. AI 시대에 한 나라가 안정적인 전력공급시스템을 갖추지 못하면, 해외 투자 유치를 위한 정부의 어떤 약속과 노력도 공염불이 될 수밖에 없다.

AI 시대, 신규전력 조달 가능성

국내 신규전력 조달 가능성을 결론부터 말하자면 한마디로 “No”다. 이미 기존 전력설비(발전소, 송·변전설비 등)는 대부분 포화상태이고 신규설비 건설은 극도로 어렵다. 더욱이 이런 정황을 잘 아는 정부는 AI 시대 데이터센터 등의 필요성을 외치면서도 한편으론 신규 전력설비 건설은 기존 전력설비의 부하관리로 최소화하려는 정책 일색이다. 

AI 시대 데이터센터 건설이 가장 필요한 수도권은 작년부터 ‘사전 계통승인허가제도’를 두어 사실상 데이터센터 건립을 불허하는 입장을 취하고 있다. 수도권 송전문제를 해결하기 어려우니 허가제로 문제를 회피하는 수동적 자세다. 즉, 신규 전력공급 신청을 정부가 규제해놓고 이것이 우리 시장의 증가 규모라 말하는 식이다. 

AI 시대는 향후 10년이 정말 중요한데 경제성, 환경성, 실현 가능성에 대한 충분한 검토 없이는 10년 내 대규모 신규전기 공급이 쉽지 않다. 에너지 정책은 중장기 정책이라 한번 단추를 잘못 끼우면 되돌리는 데만 십수 년이 걸린다. 

특히 AI 시대 치열한 국제 경쟁구조에서 에너지 정책의 실기는 장기간 경제성장의 발목을 붙잡는 족쇄가 될 수 있다. 지금의 전력정책은 빙산을 향해 나아가도록 유도하는 타이타닉호의 나침판에 가깝다. 그럼 이제부터 무엇이 문제인지 하나하나 짚어보도록 하겠다.

첫째, 지난 2월에 발표된 산업부의 제11차 전력수급기본계획(2024∽2038년) 기간 중 신규 전력설비 증가는 13.4GW뿐이다(2023년 144.4GW 기준). 반면 우리나라 데이터센터의 2025년 현 설비용량(1.5GW) 기준 AI 시대 ‘글로벌 데이터센터 및 AI 관련 전력설비 연간 증가 전망’ 비율(20∼40%)을 적용하면 국내 데이터센터와 AI 관련 11차 전력수급기본계획 기간 중 16∼119GW의 신규 전력수요가 발생한다. 

여름철 공급예비율이 10%도 안 되는 현 상황에서 수출의 90%가 제조업인 ‘전력 다소비 산업구조’의 전력수요 증가량(가정: 130GW 설비 기준, 15년간 연 1.0% 증가 → 50GW 증가)까지 합쳐지면, 상기 산출 전제조건을 최소로 가정해도 11차 전력수급기본계획상의 15년간 13.4GW 건설계획량을 크게 초과한다. AI를 차치하고 일반 산업 전력수요도 대응키 어려운 너무 적은 건설계획임을 알 수 있다.

둘째, 전력수요 증가에 따른 신규공급은 기존 발전소 및 송변전 설비를 활용하여 공급하는 것이 가장 좋다. 그러나 대한민국의 이러한 기존 설비는 이미 대부분 포화상태라 신규설비를 건설해야만 한다. 하지만 오늘날 신규설비 건설은 부지확보도 어렵지만, 주민 개발 동의를 받는 것은 거의 불가능에 가깝다. 특히 송전설비 건설은 정치적 포퓰리즘과 만연한 님비현상, 민원으로 10년이 걸려도 불투명한 사업이다. 

강원도 해안가를 따라 12GW(원전 10개 용량)의 화력발전소를 준공하고서도 송전선을 건설하지 못해 발전소를 세워두고 있고, 미래 국가 핵심성장동력이 될 10GW급 용인반도체 클러스터도 지난 6년간 송전선 건설이 확정되지 않아 최근까지 답보상태였다. 충분한 전력설비 증설을 국가계획에 반영했다 치더라도 상기와 같은 문제를 극복할 현실적 방안을 도출하지 못하면 정부의 어떤 전력공급 계획도 사상누각임을 오늘날 보고 있다.

셋째, 설계수명 30년이 도래하면 폐지될 예정인 화력발전소(석탄, LNG)가 2038년에는 대략 70%, 2050년까지는 100%에 이르는 점에 주목해야 한다. 여기에 더해 현재 운전 중인 원자력발전소도 고준위방사선물질 폐기장이 없어 2030년부터는 매년 1GW급 원전을 한 기씩 세워야 한다. 설계수명 20년인 태양광발전은 이 기간에 100% 교체된다. 

11차 전력수급기본계획에 3기의 원전건설이 계획돼 있지만, 원전건설은 오늘 시작해도 준공까지 160개월이 소요된다. 이 엄청난 전력공급 공백을 어떻게 메울지 정말 심각하게 고민해야 한다. 2026년부터 탄소국경세도 본격 시작된다. 

향후 이렇게 대체되는 전원은 모두 높은 수준의 환경성과 경제성을 갖추어야 하며, 100% 수입에 의존하는 연료의 물량 확보가 과연 가능한지 등 에너지 안보도 깊이 고려돼야 한다. 이런 고려가 부족해 기존 전력 대체가 부실해지면 이는 AI에 필요한 신규전력 공급에 치명적인 영향을 줄 수밖에 없다. 아쉽게도 우리는 이 부분에 대한 고민과 접근이 너무 미진하다. 

넷째, 환경문제와 신규 전력공급 창출을 위해 우리 정부의 주요 고려사항은 신재생전력 확충(7.17 대통령실은 재생에너지의 산단 공급 방안 발표), 신규원전 3기 건설 및 SMR(소형모듈원전) 실증, 대규모 수입 블루암모니아로 수소생산 및 석탄혼소를 통한 청정발전 등에 초점을 맞추고 있다. 

weakness.신재생에너지 

우리나라는 지리와 기후의 특성상 재생에너지(태양광, 풍력) 발전을 하기엔 그 질이 낮다. 산이 60%인 좁은 국토에 발전효율은 화력발전의 1/3 이하고 면적은 오히려 3배 이상을 차지한다. 신재생발전 증가 시 그만큼 백업발전소(대기 발전소)도 확보해야 한다. 경제성이 낮아 정부 보조금 없이는 할 수 없는 사업이다.

대규모 신재생발전은 높은 간헐성을 낮추기 위해 반드시 ESS(전력저장장치) 설치가 필수로 천문학적인 예산이 소요되며 설비 규모도 한계가 있다. 하루 40억 원의 이자를 내는 207조 원 한전의 부채 증가에 큰 원인 중 하나가 신재생발전이다. 

신재생발전은 기본적으로 규모가 작아 중추 전력이 되려면 전국 구석구석에 엄청난 신규 송배전망을 건설해야 하므로 작금의 송전선 건설 어려움을 더욱 가중시킨다. 신재생발전은 기존 원전이나 화력발전의 보조수단이 되어야 하며, 꼬리가 몸통을 흔들어대는 우를 범해서는 안 된다. 

weakness. 원자력발전소와 SMR 건설  

중장기적으로 기존 원전 및 SMR 건설은 값싸고 안정적인 대규모 전원 확보 차원에서 매우 바람직하다. 과거 원전을 중단했던 거의 모든 나라가 AI 시대 안정적 전원 확보 차원에서 원전건설을 재개하고 있다. 그러나 원전과 SMR은 특성상 향후 10~15년 사이 AI 시대에 적극 대응할 수 있는 전원, 즉 브릿지 기술이 아니다. 

신규 원전건설은 160개월이 걸리는 장기 사업이고, 우리나라는 고준위방폐장 건설이 급선무다. 그렇지 않으면 신규원전 건설은 고사하고 다수의 기존 원전이 정지되는 상황이 발생하기 때문이다. SMR은 산업단지나 수도권 등 전력수요처 내 또는 인근에 건설해 송전선에 대한 의존 없이 공급하는 이점이 있다. 

그러나 국내에서 고려 중인 300MW급 SMR 1기 단독 설치는 규모의 경제가 어려워 경제성을 맞추려면 3개 이상의 SMR을 묶어서 건설해야 하는데, 이렇게 되면 기존 1GW급 원전보다 훨씬 큰 규모의 발전소가 되고 만다. 아이러니가 아닐 수 없다. 

또한 80년 전 최초의 원자력발전소가 건설된 이후 아직 원전의 안전성은 여전히 심각한 사회적 이슈인데, 2040년에서 2050년은 되어야 겨우 기술적 완성이 전망되는 SMR의 안전성을 사회적으로 수용하기까지는 또다시 긴 시간이 걸린다. 원전과 SMR은 중장기 전원으로 적극 추진은 하되 AI 시대 전력수요 공백을 바로 메울 수 있는 전원으로 간주해서는 안 된다.

weakness.수입 암모니아를 연료로 한 석탄혼소 발전과 수소 발전

정부는 11차전력수급기본계획(2024∼2038)에서 블루암모니아를 대규모로 수입해 폐기를 앞두고 있는 12기의 석탄발전소 일부 또는 전부에 무탄소 청정발전을 하겠다고 밝혔다. 블루암모니아를 수입해 청정발전을 하는 것은 기존 석탄이나 LNG 발전소에 CCS(탄소 포집·저장)를 적용해 청정발전을 하는 것과 목적상 다를 게 없다.

다만 차이가 있다면 암모니아를 수입해 전력을 생산할 경우 암모니아 발전이 3배 이상 생산단가가 높고 국제시장에서 과연 대규모 암모니아 수입물량 확보가 가능할지 매우 불투명하다는 점이다. 

마찬가지로 석탄이나 LNG를 개질하고 CO₂를 99% CCS 처리하여 생산한 블루수소와 수입 암모니아를 개질한 블루수소는 똑같은 블루수소임에도, 굳이 연료 수급 불안전성이 상대적으로 매우 높은 암모니아를 수입해 석탄, LNG보다 2배 이상의 생산단가를 들여 블루수소를 만들려 하는지 이해할 수가 없다. 

결국 암모니아 수입 사업은 정부의 높은 보조금 지급 없이는 추진이 어렵다. 참고로 2024년 정부의 ‘1차 국내 청정수소입찰’ 시 입찰 상한가격은 500원/kWh으로 정했는데, 이는 일반 화력발전 단가(100~150원/kWh) 대비 3배 이상 높은 금액이다. 앞으로 정부는 암모니아를 대규모로 수입할 계획임을 밝혔는데, 이런 높은 가격을 국내 산업계가 수용하라는 말인지 궁금하다. 

더욱이 암모니아는 연소하거나 수소로 전환 시 대량의 NOx(질소산화물)가 발생한다. 이는 세계보건기구(WHO)가 지정한 독성물질로, 대량의 NOx 배출은 추가 처리비용 문제와 인근 주민의 강한 반발에 직면할 수 있다. AI 시대 안정적인 전력공급 공백을 메울 쉬운 옵션이 있는 만큼, 암모니아 기반 블루수소 가격을 500원/kWh으로 하는 정책은 산업계에 큰 부담이 되므로 즉시 시정되어야 한다. 

노후 석탄발전소를 청정전력 생산기지로 

우리는 지난 10년 이상 기존 발전소나 송전설비가 이미 포화상태며 신규 발전소나 송전선 건설은 거의 답보상태인 현실을 목도했다. 더욱이 모든 산업과 일상생활에 AI가 본격 적용되는 AI 시대에 꽉 막힌 전력공급 문제로 더 이상 성장 가도를 달릴 수 없는 상황에 직면해 있다. 정부조차 타이밍, 경제성, 구체성, 실현성 등이 많이 부족한 방안들을 나열할 뿐 아직 제대로 된 해결 방안을 내놓지 못하고 있다. 

그러나 우리 내부의 보유 역량을 자세히 분석해보고 그동안 발표된 관련 정책들을 잘 분류하고 여기서 의미와 가치를 찾다 보면 해답은 우리 곁에 가까이 있다는 사실을 발견하게 된다. AI 시대를 맞아 위기를 승기로 전환하는 단계적 방안을 제안하고자 한다. 

STEP 01. 수명종료를 앞둔 기존 석탄발전소를 지금의 2배 규모 청정전력 생산기지(클러스터)로 전환

모든 석탄발전소는 석탄재를 처리할 회사장(15∼25만 평)을 갖추고 있다. 이 부지를 플랜트 설치 부지로 전환하면 과거 대비 2배 이상 전력을 생산할 수 있다. 이 경우 신규발전부지 확보 및 민원문제를 걱정할 필요가 없고 기존 인프라(송·변전설비, 항만, 수처리시설, 도로 등)를 그대로 활용할 수 있어 적은 투자비로 단기간 내 클러스터 전환이 가능하다.

STEP 02. 대규모 송전선 건설문제를 해소하고 AI 설비에 원활한 전력공급을 위해 대규모 신규전력 수요나 데이터센터를 클러스터 안에 유치

대규모 신규수용이 클러스터 내에 위치해 송전선이 필요 없게 되므로 꽉 막혔던 송전선 건설문제를 해소할 수 있다. AI 시대 필수인 데이터센터를 전국 곳곳 클러스터에 건설하면 데이터센터 용지 및 전력공급 이슈도 사라진다. 또 양질의 전기를 찾아 전 세계를 찾아 헤매는 세계적 빅테크 기업(엔비디아, 구글, 메타 등)을 유치해 글로벌 AI 강국으로 거듭날 수 있다.

STEP 03.클러스터에 CCS를 적용해 ‘수소융복합발전플랜트’로 구성하고 연료는 최대한 국내 발생 준폐기물을 사용하도록 유도

주간에는 전력생산, 전력 비수기나 야간에는 수소생산에 집중해 플랜트 효율을 극대화한다. CCS 적용으로 국가탄소감축목표(NDC) 달성 및 국경탄소세 부담을 크게 낮출 수 있다. 또한 국내 준폐기물 연료(펫코크, 하수슬러지, 잡목 등) 활용으로 수소단가(전기료)를 크게 인하하고 에너지 안보를 높일 수 있다. 

STEP 04.수도권 및 산단지역의 신규 송전선 건설, 신규전력 확보 문제를 해결하기 위해 연료전지발전소를 집중 건설하고 클러스터에서 생산한 수소 공급

연료전지발전소는 수소로 청정전력을 생산하므로 민원이나 송전선 건설문제가 없다. 클러스터에서 생산된 여분의 수소를 배관으로 이송하거나 탱크로리로 운송해 공급할 수 있으며, 수소충전소 등에 연료로도 활용할 수 있다.

STEP 05. AI 외에도 향후 2천만 톤 이상 수소가 사용될 청정발전, 수소모빌리티, 수소환원제철 및 개별 기업 수요를 충족하기 위한 대용량 수소 확보 방안으로 국가 주도 사업 추진

암모니아를 수입해서 생산한 전기는 화력발전소 생산단가 대비 3배 수준으로 국가경쟁력을 크게 떨어뜨리게 된다. 또 청정암모니아나 청정수소 수입 물동량이 현재도 소량이며, 향후 원하는 만큼 대규모 물동량이 존재할지, 우리만 그 많은 물량을 확보할 수 있을지 불투명한 상황에서 국가산업의 핵심 동력을 기우제 같은 플랜에 맡겨서는 안 된다. 

※ 본 기고문은 ‘토토 사이트’ 8월 창간특집호에 실린 글로, 그 주장이나 내용이 본지의 편집 방향과 다를 수 있음을 밝혀드립니다.