AI가 미국에서 '민간과 전력을 다투고', 원자력이 실리콘밸리의 '온 마을 희망'이 되다
최근 미국의 AI 기업들이 다시 전력 발전소 투자에 열을 올리고 있다.
최근 메타(Meta)는 미국 전력기업 Vistra와 장기 전력 구매 계약(PPA)을 체결하고, Vistra 산하 다수의 가동 중인 원자력발전소로부터 직접 전력을 조달하기로 했다. 이전에도 메타는 선진형 원자력 기업 Oklo와 Terra Power 등과 협력해 소형모듈원자로(SMR) 및 4세대 원전 기술의 상용화를 추진해왔다.
메타가 공개한 정보에 따르면, 이러한 협력이 계획대로 진행된다면 2035년까지 메타가 확보할 수 있는 원전 공급 규모는 최대 약 6.6GW(기가와트, 1GW=1000MW/메가와트=10억 와트)에 달할 전망이다.
지난 1년간 북미 지역 AI 기업들의 대규모 전력 인프라 투자는 더 이상 새로운 일이 아니다. 마이크로소프트(MS)는 폐쇄된 원전의 재가동을 추진 중이며, 아마존은 원전 부지에 데이터센터를 배치하고 있다. 구글과 xAI 등도 장기적인 전력 구매 계약을 지속적으로 확대하고 있다. 컴퓨팅 경쟁이 치열해지는 가운데, 전력은 단순한 비용 항목을 넘어 AI 기업이 사전에 확보해야 할 핵심 전략 자원으로 전환되고 있다.
한편, AI 산업이 촉발한 에너지 수요 증가는 미국 전력망에 지속적인 부담을 주고 있다.
외신 보도에 따르면, AI 수요 급증으로 미국 최대 전력망 운영기관 PJM은 심각한 수급 위기에 직면해 있다. 13개 주와 약 6700만 명의 인구를 아우르는 이 전력망은 이미 운용 한계에 다다랐다.
PJM은今後 10년간 전력 수요가 연평균 4.8% 성장할 것으로 예상하며, 새로 발생하는 전력 부하는 거의 전부 데이터센터와 AI 애플리케이션에서 비롯된다고 밝혔다. 그러나 발전 및 송전 인프라 건설 속도는 이를 따라가지 못하고 있다.
국제에너지기구(IEA)는 AI가 데이터센터 전력 소비 증가의 가장 중요한 동인이 되었으며, 글로벌 데이터센터의 전력 소비량이 2030년에는 약 945TWh에 달해 현재 수준의 2배로 증가할 것으로 전망했다.
현실의 괴리는 다음과 같다. AI 데이터센터 건설은 일반적으로 1~2년이 소요되지만, 새로운 고압 송전선 하나를 완공하려면 5~10년이 걸린다. 이러한 상황에서 AI 기업들은 직접 나서서 발전소 투자 및 건설이라는 특별한 형태의 '대규모 인프라 구축'에 돌입하고 있다.
01 AI 거물들, 원자력발전소 '선점' 경쟁
지난 10여 년간 AI 기업들의 에너지 분야 주요 활동은 '전력 생산'보다는 '전력 구매'였다. 장기적인 풍력, 태양광, 일부 지열 전력 구매 계약을 통해 가격을 고정하고 탄소 감축 목표를 달성해왔다.
예를 들어, AI·인터넷 거대 기업인 구글은 전 세계적으로 수십 기가와트 규모의 풍력·태양광 장기 전력 구매 계약을 맺었으며, 지열 기업과의 협력을 통해 데이터센터에 안정적이고 청정한 전력을 공급받고 있다.
최근 2년 사이 AI 전력 소비 급증과 전력망 병목 현상이 나타나면서 일부 기업들은 순수한 전력 소비자라는 역할을 넘어서 발전소 건설 참여 혹은 원전과의 깊은 연계를 시작하며 에너지 인프라 참여자로 변모하고 있다.
그 방법 중 하나는 폐쇄된 발전소를 '부활'시키는 것이다. MS는 2024년 9월 원자력 운영사 Constellation Energy와 20년짜리 전력 구매 계약을 맺고, 출력 835MW의 폐쇄된 원전의 재가동과 장기 전력 공급을 지원하고 있다.
MS와 함께 나선 것은 미국 정부다. 작년 11월 미 에너지부는 해당 프로젝트에 대한 10억 달러의 대출을 완료했으며, 이는 부분적인 자금 지원을 위한 것이다. 해당 원전은 크레인(Crane) 청정에너지센터(이전의 스리마일아일랜드 1호기)로 이름이 변경되었다.
사실 크레인이 유일한 '재취업' 사례는 아니다. 펜실베이니아주에서는 Eddystone 석유·가스 발전소가 2024년 5월 말 폐쇄될 예정이었으나, PJM의 전력 공급 부족을 막기 위해 미 에너지부가 긴급히 계속 운용을 명령했다.
반면 아마존웹서비스(AWS)는 다른 방식을 택했다. AWS는 원자력발전소 인근의 데이터센터를 직접 매입한 것이다. 2024년, 전력기업 Talen은 펜실베이니아주 Susquehanna 원전 바로 옆에 위치한 약 960MW 규모의 데이터센터 단지를 AWS에 매각했다. 작년 6월 Talen은 협력을 확대한다고 발표하며, AWS 데이터센터에 최대 1,920MW의 무탄소 전력을 공급할 계획이라고 밝혔다.
신규 발전소 건설 면에서도 아마존은 투자와 협력을 통해 워싱턴주 소형모듈원자로(SMR) 개발 프로젝트에 참여하고 있다. Energy Northwest 등의 기관이 주도하며, 개별 설비 용량은 약 80MW로, 전체적으로 수백 MW까지 확장 가능하며 데이터센터에 장기적이고 안정적인 기저 전력을 제공하는 것이 목표다.
구글은 2024년 미국 원자력 기업 Kairos Power와 협력해 선진형 원자로 신설 프로젝트를 추진 중이며, 초기 설비는 2030년경 가동을 시작하고, 2035년까지 약 500MW의 안정적인 무탄소 원전 공급을 확보해 데이터센터 장기 운용을 뒷받침할 계획이다.
원자력발전소 건설 열풍 속에서 메타는 가장 적극적인 참여자 중 하나다. 지금까지 메타가 확보하려는 원전 자원 규모는 이미 6.6GW에 달한다. 참고로 미국의 현재 가동 중인 원전 총 설비용량은 약 97GW 수준이다.
이러한 모든 프로젝트는 메타가 올해 초 제시한 최상위 전략 '메타 컴퓨트(Meta Compute)' 프레임워크에 포함되어 있으며, 향후 AI에 필요한 컴퓨팅 및 전력 인프라를 통합적으로 계획하는 데 사용된다.
국제에너지기구(IEA)의 자료에 따르면, 2030년까지 글로벌 데이터센터 전력 소비량은 2배로 증가할 전망이며, 그 주요 요인은 AI다. 이 증가분에서 미국이 차지하는 비중이 가장 높고, 다음이 중국이다.
미국 에너지정보청(EIA)이 이전에 2035년까지 전원 설비용량이 '안정적 유지'될 것이라고 한 전망은 이제 AI 물결에 의해 깨졌다.
공개된 정보를 종합하면, 2035년까지 MS, 구글, 메타, AWS 등 AI 거물들이 직접 또는 간접적으로 확보할 원전 설비용량은 10GW를 넘을 것으로 예상되며, 새로운 인프라 프로젝트는 계속해서 공개되고 있다.
AI는 원전 부흥의 새로운 '금주머니'가 되고 있다. 이는 기업들의 현실적인 선택이기도 하다. 풍력과 태양광에 비해 원전은 24시간 내내 안정적으로 전력을 공급할 수 있고, 저탄소이며 대규모 저장장치에 의존하지 않는 장점이 있다. 동시에 정책 환경과도 밀접하게 연결되어 있다.
2025년 5월, 도널드 트럼프 미국 대통령은 네 가지 '원전 부흥' 행정명령에 서명하며, 25년 이내에 미국의 원전 생산량을 현재의 4배로 늘릴 것을 제안했으며, 이를 국가 안보와 에너지 전략의 일부로 규정했다.
그 후 1년간 원전 관련 기업들의 주가는 전반적으로 크게 상승했다. Vistra 등 원전 운영사를 중심으로 누적 주가 상승률이 1.5배를 넘었으며, Oklo, NuScale 등 소형모듈원자로(SMR)에 집중하는 기업들의 주가는 더욱 급등해 수배 이상 오르기도 했다.
결국 AI 산업의 막대한 자본 투입과 정부 차원의 추진으로 인해 원전은 다시 미국 에너지 및 산업 정책의 중심 논의 대상이 되었다.
02 모델은 빠르게 돌아가는데, 발전소는 느리게 지어진다
비록 '원전 부흥'이 투자 심리를 고조시키고 있지만, 원전이 미국 전체 발전량에서 차지하는 비중은 여전히 약 19%에 불과하며, 신규 건설이나 재가동까지의 주기는 일반적으로 10년 단위로 잡힌다. 즉, AI가 전력 시스템에 미치는 압박 리스크는 여전히 줄어들지 않았다.
PJM은 여러 장기 전망 보고서에서, 미래 10년간 추가되는 전력 부하는 거의 전부 데이터센터와 AI 애플리케이션에서 비롯되며, 발전 및 송전 인프라 건설이 속도를 내지 못하면 전력 공급의 신뢰성이 심각한 도전에 직면할 것이라고 경고했다.
미국 최대 지역 송전조직 중 하나인 PJM은 13개 주와 워싱턴DC를 커버하며 약 6700만 명에게 전력을 공급하며, 그 안정적인 운영은 미국 동부 및 중부 핵심 경제권과 직결된다.
한편으로는 막대한 자본이 전력 인프라에 투입되고 있지만, 다른 한편으로는 전력 압박이 쉽게 해소되지 않고 있다.
이러한 모순의 배경에는 미국 AI 산업의 확장 속도와 전력 시스템 건설 속도의 심각한 괴리가 존재한다. 초대규모 AI 데이터센터 건설은 보통 1~2년이 소요되지만, 새로운 송전선 건설과 그리드 연결 승인은 5~10년이 걸리는 경우가 많다.
데이터센터와 AI의 전력 소비 부하는 계속 늘어나지만, 발전 설비 증가는 이를 따라가지 못하고 있다. 지속적인 전력 자원 압박은 곧바로 전기 요금 급등이라는 결과로 이어진다.
북버지니아 등 데이터센터가 밀집한 지역에서는 최근 몇 년간 주민들의 전기 요금이 크게 상승했으며, 일부 지역은 200% 이상 상승해 인플레이션율을 훨씬 웃돌았다.
일부 시장 보고서에 따르면, PJM 지역에서 데이터센터 부하가 급증하면서 전력 용량시장 비용이 크게 증가했다. 2026-2027년도 용량 경매 총비용은 약 164억 달러로, 최근 몇 차례 경매에서 데이터센터 관련 비용이 전체 비용의 거의 절반을 차지했다. 이러한 증가된 비용은 결국 더 높은 전기 요금으로 일반 소비자가 부담하게 된다.
주민들의 불만이 커지면서 전력 자원 압박은 빠르게 사회적 이슈로 번지고 있다. 뉴욕주 등 규제 당국은 대규모 데이터센터가 급증하는 전력 수요와 전력망 접속, 확장 비용에 대해 더 큰 책임을 지도록 요구하고 있으며, 높은 접속료 및 장기적인 용량 의무 등을 포함하고 있다.
"챗GPT가 등장하기 전까지 우리는 이런 수준의 전력 부하 증가를 본 적이 없다"고 미국 대형 공공 전력위원회 회장 톰 팔코네는 공개적으로 말했다. "이는 공공사업자, 산업계, 노동력, 엔지니어를 포함한 전체 공급망 문제이며, 이런 인력들이 하루아침에 생겨날 수는 없다."
작년 11월, PJM의 시장 감독 기관은 미국 연방 에너지 규제 위원회(FERC)에 정식 진정서를 제출하며, 신뢰성과 가격 부담성 문제를 이유로, 관련 절차가 개선되기 전까지는 새로운 대규모 데이터센터의 전력망 연결 프로젝트 승인을 중단할 것을 제안했다.
AI 데이터센터의 막대한 전력 소비에 대응하기 위해 미국 일부 주와 전력회사는 이미 전문적인 '데이터센터 전기 요금 체계'를 도입하기 시작했다. 예를 들어, 캔자스주는 2025년 11월 새로운 전기 요금 규정을 통과시켜 75MW 이상의 대규모 전력 사용자(예: 데이터센터)를 대상으로 장기 계약, 요금 분담, 인프라 비용 분담 요구사항을 마련함으로써, 이러한 대규모 사용자들이 더 많은 송배전망 비용과 업그레이드 비용을 부담하도록 했다.
MS 사장 브래드 스미스(Brad Smith)는 최근 인터뷰에서 "데이터센터 운영사는 자체 전력 사용, 그리드 연결, 전력망 업그레이드에 대해 더 높은 전기 요금이나 상응하는 비용을 지불해야 한다(Pay our way). 일반 전력 사용자들에게 비용을 전가해서는 안 된다"고 밝혔다.
해외에서도 최근 아姆스테르담, 더블린, 싱가포르 등 미국 이외 지역에서는 전력 인프라 부족을 이유로 다수의 신규 데이터센터 프로젝트가 중단되었다.
더 엄격한 전력 및 토지 제약 아래에서 데이터센터 확장은 국가의 기초 인프라와 자본 동원 능력에 대한 압박 테스트가 되고 있다. 중국과 미국을 제외한 대부분의 경제권은 이러한 대규모 공학 능력을 동시에 갖추기 어렵다.
미국의 현재 전력 압박 상황만 봐도 알 수 있듯이, 단순히 돈을 들여 새 발전소를 짓는다고 해서 AI 시대의 에너지 위기를 해결할 수는 없다.
03 송전망을 구축해야 하고, 하늘도 봐야 한다
발전소 외에도 전력 압박의 근본적인 문제는 미국 송전망 인프라의 장기적인 낙후에 있다.
일부 업계 보고서에 따르면, 2024년 미국이 새로 설치한 345kV 이상의 고압 송전선은 322마일(약 518km)에 불과해 지난 15년 중 가장 느린 속도를 기록한 해 중 하나였으며, 2013년 당시 이 수치는 약 4000마일에 달했다.
송전 능력의 부족은, 설령 더 많은 발전소가 가동되더라도 전력을 장거리로 효과적으로 수요 밀집 지역에 공급하지 못할 수 있음을 의미한다.
2023~2024년 사이 PJM은 여러 차례 외부에 경고했다. 송전 인프라 건설 속도가 늦어지고 발전 자원도 따라오지 못해, 신규 데이터센터 부하 증가로 인해 전력망 운영기관이 시스템 안정성을 유지하기 위해 비상 수단을 동원하고 있다고 밝혔다. 극한 수요 상황에서 일부 데이터센터의 전력 공급을 중단하거나 자체 발전을 요구하는 등의 옵션을 제시하고 있으며, 그렇지 않으면 신뢰성 리스크가 더욱 커질 것이라고 강조했다.
반면, '인프라 광인'으로 불리는 중국은 전력망 건설에서 꾸준히 높은 성장률과 기술 업데이트를 유지하고 있다. 최근 몇 년간 중국은 초고압(UHV) 인프라를 지속적으로 확대해 2020~2024년 사이에 ±800kV, 1000kV급 초고압 송전선을 여러 개 준공했으며, 연간 신규 송전 거리는 수천 km에 달한다.
설비용량 면에서도 2025년 중국의 총 설비용량은 3600GW를 넘어설 전망이며, 2024년 대비 안정적으로 증가하고 있으며, 올해 재생에너지 발전 설비를 200~300GW 추가 설치할 계획이다.
이러한 전력망 인프라 구축 능력의 격차는 단기간 내에 미국이 정책이나 자본으로 메울 수 있는 수준이 아니다.
AI 부하 급증 상황에서 미국 연방 에너지 규제 위원회(FERC)는 2024년 5월 제1920호 명령을 공식 발표하며, 2021년부터 추진해온 지역 송전 계획 개혁을 마무리했다. 새 규정은 공공사업자들이 20년간의 장기 계획을 수립하도록 요구하며, 데이터센터 등 새로운 부하를 비용 분담 논의에 포함시킨다.
하지만 규정 시행, 프로젝트 승인, 건설 주기가 길어 이 정책은 장기적인 '망 보완' 도구에 가깝고, 현실에서의 전력 자원 압박은 계속될 전망이다. 이러한 배경에서 '우주에 컴퓨팅 자원 배치하기'가 업계의 새로운 관심사로 떠올랐다.
최근 전 세계 기술 산업은 '우주 컴퓨팅(Space Computing)' 개념을 추진하고 있다. 근지구궤도(LEO)에 AI 학습/추론 능력을 갖춘 컴퓨팅 노드 또는 데이터센터를 배치해 지상 데이터센터의 에너지, 냉각, 연결성 병목을 해결하려는 시도다.
스페이스X(SpaceX)를 중심으로 저궤도 위성과 위성 간 레이저 통신이 분산형 '궤도 컴퓨팅 네트워크' 구축의 기반이 되고 있다. SpaceX는 스타링크(Starlink) 위성군을 활용해 궤도상 엣지 컴퓨팅을 탐색하며, 원격탐사 처리와 실시간 추론을 수행해 지상 송신과 에너지 부담을 줄이고 있다.
또 다른 스타트업인 Starcloud는 2025년 11월 Starcloud-1 위성을 발사하며 NVIDIA H100 칩을 탑재하고 궤도상 추론 검증에 성공했다. 이 사례는 우주 컴퓨팅 자원 배치가 실제 적용 단계에 진입할 가능성을 보여준다.
중국도 우주 컴퓨팅 분야에서 가속화하고 있다. 저장실험실이 주도하는 '삼체 컴퓨팅 성좌' 프로젝트는 이미 첫 12기의 위성을 성공적으로 발사했으며, 공식 계획상 전체 컴퓨팅 성능은 1000POPS 수준으로, 궤도 엣지 컴퓨팅, 대량 데이터 사전 처리 및 AI 추론에 활용될 예정이다.
그러나 우주 컴퓨팅이든 차세대 에너지 시스템이든 모두 초기 검증 단계에 머물러 있다. 이것이 바로 지난 1년간 미국의 AI 거물들이 앞다퉈 원전 등 전력 인프라에 투자하는 이유다.
"우리는 일주일 내내, 하루 24시간 지속적으로 가동 가능한 청정하고 신뢰할 수 있는 전력원이 필요하다"고 국제에너지기구(IEA)의 파티흐 비롤 사무총장은 최근 인터뷰에서 말했다. "원전은 전 세계적으로 다시 중심 무대로 돌아오고 있다."
전력망 확장과 발전소 건설이 단기간에 따라오기 어려운 현실에서, 미국의 전력 자원 압박은 당분간 빠르게 완화되지 않을 전망이다. 따라서 전력, 특히 원전 산업에 대한 대규모 자본 투입은 당장 유일한 선택지다.
우드맥킨지(Wood Mackenzie)의 최신 전망에 따르면, 데이터센터와 AI 부하가 전력 수요를 계속 끌어올리면서 미국의 원전 발전량은 2035년 이후 현재 대비 약 27% 증가할 전망이다.
외신 보도에 따르면 미국 정부는 에너지부 대출, 수출신용, 시범 프로젝트를 통해 Westinghouse 등 원전 설비업체를 지원하며 신규 원전 건설과 기존 기기 수명 연장을 추진하고, 원전 산업 역량을 재구축하고 있다.
산업과 정책의 양면적 추진 속에서, 향후 상당한 기간 동안 미국의 AI 거물들과 원전 산업은 긴밀하게 결합된 관계를 유지할 전망이다.
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