AI, trung tâm dữ liệu vừa là nguồn cơn vừa là giải pháp cho vấn đề năng lượng

Từ năm 2023, cơ sở Tallaght của Đại học Công nghệ Dublin (Technological University of Dublin – TU Dublin) đã trở thành một trong số ngày càng nhiều tòa nhà ở khu vực ngoại ô phía tây nam Ireland được sưởi ấm bằng nhiệt thải sinh ra từ một trung tâm dữ liệu của Amazon Web Services (AWS) đặt gần đó.

Trên thực tế, các trung tâm dữ liệu từ lâu đã tạo ra lượng nhiệt dư thừa rất lớn. Tuy nhiên, việc kết nối nguồn nhiệt này với các hệ thống sưởi tập trung của đô thị lại diễn ra chậm chạp. Lý do là bởi nhiệt thải từ data center thường có nhiệt độ quá thấp, không đủ nóng để sưởi ấm trực tiếp các tòa nhà. Tuy nhiên, điều này đang dần thay đổi.

Theo CNBC, khi làn sóng AI bùng nổ, các trung tâm dữ liệu ngày càng được lấp đầy bởi chip xử lý tiên tiến, có mật độ tính toán cao gấp hai đến ba lần so với trước đây. Điều đó buộc nhà vận hành phải tìm ra cách cân bằng vừa tối đa hiệu suất, vừa không đánh đổi tính bền vững môi trường.

Ông Adam Fabricius, Giám đốc thương mại tại Sav Systems, công ty cung cấp thiết bị sưởi, thông gió và điều hòa không khí, đồng thời là nhà nghiên cứu mạng lưới nhiệt tại EnergiRaven, cho biết chính AI là “cú ngoặt” khiến việc tái sử dụng nhiệt trở nên hấp dẫn hơn nhiều.

“Điểm thú vị là AI tạo ra mức nhiệt cao hơn, và việc làm mát bằng nước giúp mọi thứ dễ dàng hơn rất nhiều. Bạn cần ít thiết bị hơn để kết nối các hệ thống này với nhau”, ông Fabricius nói.

Ở góc độ chính sách năng lượng, ông Brendan Reidenbach, đại diện của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), nhận định việc các trung tâm dữ liệu cung cấp nhiệt đến cộng đồng mang lại cho họ một dạng “giấy phép xã hội” – tức sự chấp nhận tích cực hơn từ công chúng.

“Trên giấy tờ, có thể đây không phải là phương án tiết kiệm chi phí nhất. Nhưng về mặt xã hội, phương pháp biến câu chuyện tiềm ẩn rủi ro, sự gia tăng ồ ạt của data center, thành câu chuyện tích cực: cung cấp nguồn nhiệt phi carbon. Theo nghĩa đó, đây là tình huống đôi bên cùng có lợi”, ông Reidenbach nói thêm.

IRELAND – TIÊN PHONG MÔ HÌNH SƯỞI ĐÔ THỊ

Nhiều tập đoàn công nghệ lớn đã nhanh chóng nắm bắt mô hình này. Microsoft công bố kế hoạch cung cấp nhiệt cho mạng lưới sưởi tập trung Høje-Taastrup tại Đan Mạch; một trung tâm dữ liệu của Equinix hiện đang sưởi ấm cho khoảng 1.000 hộ gia đình ở Paris; còn Google triển khai dự án thu hồi nhiệt quy mô lớn tại cơ sở của hãng ở Hamina, Phần Lan.

Ireland có một xuất phát điểm rất đặc biệt. Năm 2024, quốc gia này từng là một trong hai nước châu Âu ban hành lệnh tạm dừng cấp phép trung tâm dữ liệu mới, khi các cơ sở “ngốn điện” này tiêu thụ tới 22% tổng sản lượng điện quốc gia, gây áp lực lớn lên lưới điện Dublin. Tuy nhiên, cuối năm ngoái, Ireland đã nới lỏng lệnh cấm, khi cơn sốt AI khiến quan điểm về tiềm năng kinh tế của data center đảo chiều hoàn toàn.

Theo ông Reidenbach, Ireland gần như là một “tờ giấy trắng”, bởi trước đây nước này chưa từng có hệ thống sưởi tập trung quy mô lớn. Dự án Tallaght cho thấy lợi ích của việc quy hoạch tích hợp, khi kết nối được cả đơn vị vận hành hệ thống điện lẫn nhà quản lý lưới phân phối.

Năm 2020, chính quyền địa phương đã thành lập Heat Works, công ty năng lượng phi lợi nhuận đầu tiên của Ireland. Nhiệt thải từ trung tâm dữ liệu AWS gần đó hiện cung cấp 100% nhu cầu nhiệt cho mạng lưới này.

“Dù mới bước sang năm thứ hai theo dõi, chúng tôi đã có bằng chứng cho thấy dự án giúp giảm đáng kể mức độ phụ thuộc vào biến động giá năng lượng trên thị trường”, bà Rosie Webb, Trưởng bộ phận khử carbon của TU Dublin, chia sẻ.

Theo tính toán của trường, riêng trong năm 2024, khuôn viên Tallaght cắt giảm được khoảng 704 tấn CO₂, dù vẫn phải đáp ứng thêm nhu cầu năng lượng từ hai tòa nhà mới.

Phía AWS cho rằng trung tâm dữ liệu của hãng tại Tallaght mang lại “cơ hội độc nhất” để tái sử dụng nhiệt. Trong mô hình này, AWS cung cấp nhiệt thải miễn phí, ban đầu đủ để sưởi ấm 55.000 m² các công trình công cộng, diện tích gấp ba lần mặt sân vận động, cùng không gian thương mại và 133 căn hộ.

“Đây là tình huống đôi bên cùng có lợi khi chúng tôi tận dụng hạ tầng sẵn có để hỗ trợ mục tiêu khí hậu của cộng đồng”, bà Niamh Gallagher, lãnh đạo AWS tại Ireland, nói.

LÀM MÁT CHIP AI VÀ CƠ HỘI TẬN DỤNG NHIỆT THẢI

Ông Ben Hertz-Shargel, Giám đốc toàn cầu mảng ‘grid edge’ tại Wood Mackenzie, nhìn nhận so với Hoa Kỳ, châu Âu đang đi trước khá xa trong việc phát triển mạng lưới sưởi tập trung.

Những trung tâm dữ liệu quy mô trung bình, nằm gần khu đô thị, thường có vị trí thuận lợi nhất để cung cấp nhiệt thải. Equinix, tương tự AWS, là ví dụ điển hình khi không kiếm lợi nhuận trực tiếp từ lượng nhiệt cung cấp.

Tuy nhiên, việc mở rộng mô hình này không hề dễ. Thủ tục cấp phép kéo dài, chi phí đầu tư ban đầu (capex) rất cao cho mạng lưới nhiệt và việc tích hợp trung tâm dữ liệu là những rào cản lớn.

Một vấn đề khác là vòng đời không đồng bộ. Mạng lưới sưởi tập trung thường được thiết kế cho thời gian vận hành khoảng 30 năm, trong khi thiết bị bên trong trung tâm dữ liệu chỉ có tuổi thọ 7–10 năm. “Điều đó tạo ra rủi ro tài sản bị ‘mắc kẹt’ rất lớn”, ông Reidenbach cảnh báo.

Nexalus, công ty kỹ thuật nhiệt và khoa học có công nghệ được phát triển từ Đại học Trinity Dublin, đang tìm cách giải bài toán này bằng việc thu nhiệt trực tiếp từ GPU và CPU đang ‘nóng bỏng’ trong trung tâm dữ liệu.

Công ty sử dụng công nghệ làm mát chất lỏng dạng tia phun (jet impingement liquid cooling), vừa tăng hiệu suất chip, vừa thu hồi nhiệt ở mức cao. Thay vì tạo ra “nhiệt cấp thấp”, hệ thống này cho ra nhiệt độ khoảng 55–60°C, đủ để dùng trực tiếp cho sưởi tập trung mà không cần máy bơm nhiệt.

Trong khi đó, phần lớn trung tâm dữ liệu hiện nay chỉ thải nhiệt ở mức 30–35°C, rất khó tái sử dụng. Nexalus còn lập bản đồ nhiệt chi tiết trên chip để tập trung làm mát những điểm nóng nhất.

“Hãy tưởng tượng như vòi sen. Khi vai bạn đau, bạn chỉnh nước vào đúng chỗ cần. Chúng tôi cũng làm như vậy, nhưng ở cấp độ từng con chip”, CEO Kenneth O’Mahony giải thích.

Ông cho rằng trung tâm dữ liệu không chỉ là “kẻ vay năng lượng”, mà còn là “nhà sản xuất năng lượng”. “Lý tưởng nhất là data center được tích hợp ngay từ khâu quy hoạch đô thị, đủ khả năng cung cấp nhiệt cho cả tòa nhà”, ông O’Mahony nói.

Nexalus không phải cái tên duy nhất. Gần đây, Nvidia gây xôn xao thị trường làm mát khi công bố thế hệ chip Rubin mới, yêu cầu làm mát thấp hơn so với các mẫu trước.

Ông Rob Pfleging, CEO Nautilus Data Technologies, cho biết ông “nổi da gà” khi xem thông báo này, bởi ngành đã tìm ra đúng hướng đi: tăng nhiệt độ nước làm mát để nâng hiệu suất và dễ tái sử dụng nhiệt hơn.

TIỀM NĂNG LỚN NHƯNG KHÔNG ÍT THÁCH THỨC

Không chỉ Ireland, nhiều quốc gia khác cũng nghiên cứu mô hình này. Tháng 10 năm ngoái, một số quan chức Anh đã sang Đan Mạch học hỏi cách kết nối trung tâm dữ liệu với mạng sưởi tập trung. Mục tiêu của Anh là nâng tỷ lệ này lên 20% nhu cầu sưởi quốc gia vào năm 2050, so với 3% hiện nay.

Theo phân tích, nếu mạng lưới nhiệt được mở rộng song song với hạ tầng AI, nhiệt thải từ trung tâm dữ liệu có thể sưởi ấm ít nhất 3,5 triệu hộ gia đình vào năm 2035.

Việc tái sử dụng nhiệt giúp tận dụng “electron hai lần”, theo Matthew Powell, nhà nghiên cứu tại EnergiRaven. “Mỗi kilowatt tái sử dụng là một kilowatt không cần nạp thêm”, ông Fabricius nói, đặc biệt có ý nghĩa khi thay thế khí đốt tự nhiên.

Trước lo ngại phụ thuộc vào nguồn nhiệt từ khu vực tư nhân, TU Dublin khẳng định hệ thống Tallaght không chỉ dựa vào một nguồn duy nhất. Trường đang nghiên cứu địa nhiệt và nhiều nguồn tái tạo khác để đa dạng hóa.

Hiện tại, dự án đã đáp ứng 92% nhu cầu sưởi của khuôn viên, giúp trường tiến nhanh hơn đáng kể tới mục tiêu khử carbon năm 2030.

Trên toàn cầu, sưởi tập trung mới đáp ứng khoảng 10% nhu cầu nhiệt cho các tòa nhà, trong đó 90% vẫn đến từ nhiên liệu hóa thạch. Muốn tận dụng nhiệt thải, các quốc gia buộc phải rời xa khí đốt và đầu tư hạ tầng phù hợp.

“Đa dạng hóa là con đường tốt nhất, nhưng sẽ rất khó khăn và không hề dễ dàng”, ông Fabricius kết luận. “Dù vậy, ít nhất một số quốc gia nhận ra: đã đến lúc phải làm điều gì đó khác đi”.