Các trung tâm dữ liệu tiêu thụ lượng điện rất lớn, vì đó là nơi lưu trữ dữ liệu, hình ảnh, phát trực tuyến phim và đào tạo AI (trí tuệ nhân tạo). Trong đó, một phần điện năng dùng để làm mát, giúp loại bỏ lượng nhiệt sinh ra từ hàng triệu máy chủ bố trí san sát nhau. Sự bùng nổ của AI, kéo theo các trung tâm dữ liệu phát triển nhanh, dẫn đến tiêu thụ điện ngày càng cao.
Chính vì vậy, làm mát ở các trung tâm dữ liệu là nhu cầu thiết yếu. Trong một nghiên cứu mới, nhóm nghiên cứu tại Trường kỹ thuật Tandon thuộc Đại học New York, khám phá giải pháp mới: sử dụng nhiệt thải từ các nhà máy gần đó để làm mát trung tâm dữ liệu, bằng cách lưu trữ nhiệt đó trong một loại vật liệu có thể cung cấp khả năng làm mát khi cần thiết.
Công nghệ này dựa trên khoáng chất gọi là zeolite, loại vật liệu tinh thể xốp, chứa đầy các lỗ rỗng siêu nhỏ. Vật liệu này hoạt động như miếng bọt biển, đem lại khả năng hấp thụ hơi nước đáng kể. Khi zeolite khô gặp hơi nước, nó sẽ hấp thụ hơi nước và giải phóng nhiệt. Khi zeolite được làm nóng đến nhiệt độ đủ cao, nó sẽ giải phóng hơi nước, lập lại chu trình.
Điều quan trọng, zeolite là vật liệu giá rẻ, sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng, như xử lý nước và lọc dầu. Tại một cơ sở công nghiệp, chẳng hạn như nhà máy hóa chất hay nhà máy lọc dầu, nhiệt thải ở nhiệt độ từ thấp đến trung bình (dưới khoảng 2000C) được dùng để “sạc” pin nhiệt, bằng cách làm khô zeolite. Còn nước bay hơi được ngưng tụ và thu hồi.
Zeolite được làm khô, sau đó vận chuyển đến trung tâm dữ liệu. Khi đến điểm lắp đặt, quy trình diễn ra ngược lại. Không khí ấm từ phòng máy chủ làm bay hơi nước, tạo hiệu ứng làm mát, để loại bỏ nhiệt khỏi phòng. Hơi nước được hấp thụ bởi zeolite khô, hoạt động hiệu quả như bộ tản nhiệt. Quá trình hấp thụ này có thể thay thế máy làm lạnh bằng khí nén, tiêu thụ nhiều điện đang phổ biến trong các hệ thống làm mát trung tâm dữ liệu hiện nay.
Khác với các phương pháp lưu trữ nhiệt truyền thống bị mất năng lượng theo thời gian, zeolite giữ được nhiệt tiềm năng của chúng cho đến khi nước được đưa trở lại. Đặc điểm này làm cho vật liệu phù hợp để lưu trữ và vận chuyển trong thời gian dài trên quãng đường hàng chục km mà không bị mất năng lượng đáng kể.
Sử dụng mô hình nhiệt động lực học chi tiết, nhóm nghiên cứu so sánh hệ thống đề xuất của họ với một thiết lập thông thường: một trung tâm dữ liệu được làm mát bằng máy làm lạnh bằng khí nén và một cơ sở công nghiệp thải nhiệt thải ra thông qua tháp giải nhiệt.
Kết quả rất ấn tượng. Nhóm nghiên cứu ước tính hệ thống đề xuất có thể giảm tổng lượng điện tiêu thụ cho việc làm mát của trung tâm dữ liệu và toàn bộ cơ sở công nghiệp hơn 75%. Riêng với trung tâm dữ liệu, pin nhiệt dựa trên zeolite có thể giảm tới 86% lượng điện tiêu thụ dùng cho việc làm mát. Về hiệu quả năng lượng, điều này tương đương cải thiện 12% về hiệu quả sử dụng điện.
Mặc dù hệ thống này giúp tiết kiệm điện đáng kể, nhưng nó lại làm thay đổi cách sử dụng nước tại các cơ sở này. Hệ thống kết hợp sử dụng lượng nước nhiều hơn khoảng 15 - 25% tổng thể vì quá trình bay hơi đóng vai trò trung tâm trong việc làm mát. Nhưng sự gia tăng này được bù đắp một phần bởi sự giảm đáng kể lượng nước sử dụng tại cơ sở công nghiệp, vì nhiệt thải được chuyển hướng để sạc pin nhiệt, thay vì thải ra qua tháp giải nhiệt.
Nước thải ra trong quá trình sạc zeolite cũng có thể tái sử dụng tại chỗ, giúp khép kín một phần chu trình. Để mô hình này hoạt động hiệu quả, các trung tâm dữ liệu cần phải nằm khá gần các cơ sở công nghiệp. Để đánh giá khả năng mở rộng phương pháp này, nhóm nghiên cứu phân tích không gian địa lý các cơ sở tại Hoa Kỳ. Khoảng cách trung bình giữa các trung tâm dữ liệu và 10 khu công nghiệp gần nhất chỉ là 57 km.
Ngay cả khi tính đến sử dụng điện năng cần thiết để vận chuyển hàng tấn zeolite qua lại, giả sử dùng xe tải điện, hệ thống này vẫn mang lại hiệu quả tiết kiệm điện năng ròng trong nhiều trường hợp, đôi khi vượt quá 40%. Vận tải bằng đường sắt có thể giảm chi phí năng lượng hơn nữa.
Hệ thống được đề xuất vẫn đang trong giai đoạn mô hình hóa và còn các vấn đề kỹ thuật. Các lớp zeolite phải được thiết kế để đảm bảo độ bền, khả năng truyền nhiệt nhanh và chu kỳ hoạt động lặp lại. Việc phối hợp hoạt động giữa các trung tâm dữ liệu và các cơ sở công nghiệp sẽ đòi hỏi mô hình kinh doanh mới.
Ý tưởng này làm nổi bật một sự thật ít được đánh giá cao: trong nền kinh tế kỹ thuật số tiêu thụ nhiều năng lượng, nhiệt thải có thể tận dụng như một nguồn tài nguyên giá trị. Bằng cách xem hệ thống làm mát như một vấn đề về hậu cần nhiệt, chứ không phải nhu cầu điện năng, pin nhiệt dựa trên zeolite có thể giúp các trung tâm dữ liệu phát triển mà không làm quá tải lưới điện.
