도심형 엣지데이터센터와 SOFC 연료전지, ESS, UPS를 한 건물에 통합하고, 한전 정전 시 상시 발전하던 연료전지를 데이터센터 보호전원으로 전환하는 시스템에 대해 설계반영한 안에 대해 간단히 설명합니다.
데이터센터의 문제는 전기를 얼마나 쓰느냐 보다 끊기지 않게 하는 것이다
최근 서울 도심의 한 복합건축물에 소규모 엣지데이터센터를 도입하는 계획을 검토했다. 기존의 대형 데이터센터처럼 외곽에 단독으로 건립하는 방식이 아니라, 일반시설과 주차시설이 함께 들어가는 도심 건축물 내부에 약 2MW급의 데이터센터와 분산전원을 결합하는 계획이었다.
검토시설은 일반용도 공간과 엣지데이터센터, 고체산화물 연료전지인 SOFC, ESS, UPS로 구성했다.
한전 수전전력만 사용하는 일반적인 데이터센터와 달리, 평상시 연료전지는 상시 발전하여 계통에 전력을 공급하고, 한전계통에 블랙아웃이 발생하면 데이터센터를 보호하는 내부전원으로 전환하는 것이 핵심이었다.
처음에는 연료전지를 설치하면 비상발전기의 역할도 자연스럽게 할 수 있을 것으로 생각하기 쉽다. 그러나 실제 전력계통을 검토해 보면 그렇게 간단하지 않다.
연료전지는 발전 중이어도 정전 순간 바로 비상전원이 되지 않는다
SOFC는 장시간 일정한 출력을 유지하는 상시발전에 적합하지만, 갑작스러운 부하변동에 즉시 대응하는 설비는 아니다.
한전계통이 정전되면 계통연계 발전설비는 안전을 위해 계통과 분리돼야 하며, 내부에서 전압과 주파수의 기준을 새롭게 만들어야 한다.
이 짧은 공백을 연결하는 설비가 UPS와 ESS다.
UPS는 정전 순간에도 서버의 IT 부하를 끊김 없이 유지한다. 반면 ESS는 단순히 전기를 저장하는 배터리가 아니라, 한전과 분리된 건물 내부의 전압과 주파수 기준을 만드는 ‘Grid-forming’ 역할을 담당한다.
그다음 운전 중인 SOFC가 내부 계통에 동기화되면 데이터센터의 우선 부하를 장시간 유지할 수 있다.
따라서 UPS와 ESS는 서로 대신할 수 있는 설비가 아니다.
- UPS는 서버의 순간적인 무정전을 책임진다.
- ESS는 독립된 내부 전력계통을 형성한다.
- SOFC는 장시간 필요한 기저전력을 공급한다.
세 설비의 역할을 정확히 나누고 연결해야 비로소 도심형 데이터센터의 고신뢰 전원체계가 완성된다.
평상시에는 발전수익, 비상시에는 데이터센터 보호
검토한 계획에서는 데이터센터용 전력계통과 연료전지 발전계통을 물리적으로 구분했다. 평상시 데이터센터는 한전에서 전력을 공급받고, SOFC에서 생산된 전기는 계통을 통해 판매하는 구조다.
블랙아웃이 발생하면 운전 순서가 바뀐다.
먼저 UPS가 순간적으로 IT 부하를 유지한다. 이어서 한전과 연결된 지점을 차단하고 ESS가 독립계통을 형성한다. 전압과 주파수가 안정되면 상시 발전 중이던 SOFC를 내부계통에 동기화하고, 미리 구분한 우선부하에 전력을 공급한다.
여기서 중요한 것은 건물 전체의 전기를 무조건 살리는 것이 아니다. 서버와 필수 냉각설비, 통신·제어설비 등 반드시 유지해야 할 부하를 먼저 정하고, 일반부하와 비우선 설비는 자동으로 차단해야 한다. 이번 검토에서도 전체 부하가 아닌 핵심 IT 부하를 선별해 유지하는 방향을 잡았다.
이 구조가 실현된다면 연료전지는 평상시에는 수익을 만드는 발전시설이 되고, 비상시에는 데이터센터의 운영 연속성을 지켜주는 전력자산이 된다. 한 공간에서 발전수익과 데이터센터 임대수익을 함께 고려할 수 있다는 것도 도심형 복합사업의 장점이다.
건축설계 단계에서 먼저 해결해야 할 문제
이러한 계획은 전기설계만으로 완성되지 않는다. 건축계획 단계부터 연료전지실, ESS실, UPS실, 전기실과 데이터센터의 관계를 함께 검토해야 한다.
특히 SOFC를 지하에 설치한다면 도시가스 공급 유량과 압력, 긴급차단, 고온 배기, 환기, 유지관리 동선이 먼저 확보돼야 한다.
발전설비실과 ESS실은 각각의 위험 특성을 고려하여 방화구획하고, 가스감지와 배연·환기, 비상정지 및 소화설비를 계획해야 한다.
전기실 공간만 확보했다고 끝나는 것도 아니다. 향후 서버 용량이 증가할 가능성에 대비해 변압기와 UPS 모듈의 증설 공간, 배전반 슬롯, 케이블 통로와 냉각설비 확장 여유까지 남겨야 한다. 나중에 전력용량을 늘리려 해도 수직 배관과 배선 통로가 막혀 있으면 증설공사는 훨씬 어려워진다.
또한 한전계통과 연결된 상태, 한전에서 분리된 독립운전 상태, SOFC가 주전원이 되는 상태는 전기적 조건이 서로 다르다. 각 운전모드에 맞는 보호계전과 차단순서, 재동기화 조건을 별도로 검토하고 실제 운전 시나리오에 따라 시험해야 한다.
결론
이번 계획하면서 다시 확인한 것은 데이터센터의 비상전원이 단순히 발전기 한 대를 추가하는 문제가 아니라는 점이다.
UPS는 정전 순간을 지키고, ESS는 독립계통을 만들며, SOFC는 장시간 운전을 담당한다. 이 세 설비를 건축·전기·가스·소방계획과 함께 설계해야 평상시 발전과 비상시 데이터센터 보호라는 두 가지 목적을 동시에 달성할 수 있다.
기술적으로 구현 가능성이 있는 구조이지만, 실제 사업화에는 한전 계통연계, 도시가스 공급조건, 소방 및 발전시설 인허가, 보호협조와 독립운전 제어에 대한 사전협의가 필요하다. 특히 “상시 발전 중인 연료전지를 블랙아웃 순간 어떻게 안전하게 내부전원으로 전환할 것인가”가 이 계획의 성패를 가르는 핵심이다.
도심의 제한된 부지에서 일반시설과 데이터센터, 분산전원을 결합하는 방식은 앞으로 검토할 가치가 크다.
다만 설비를 각각 집어넣는 것만으로는 부족하다.
건물 전체를 하나의 작은 전력망으로 보고 처음부터 통합 설계해야 한다.
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