Cung cấp điện năng cho các trung tâm dữ liệu

Google ngày 15-10 đã ký một thỏa thuận với công ty khởi nghiệp hạt nhân Kairos Power ở California, theo đó Kairos sẽ xây dựng bảy lò phản ứng modul nhỏ (SMR) nhằm cung cấp điện cho các trung tâm dữ liệu của hãng công nghệ này. Thỏa thuận này hứa hẹn sẽ bổ sung khoảng 500 megawatt điện sạch vào thời điểm nhu cầu năng lượng cho các trung tâm dữ liệu và AI đang tăng mạnh.

Theo Google, các nhà máy điện mới dự kiến sẽ đi vào hoạt động (come online) vào cuối thập kỷ này. Hiện chưa rõ liệu các lò phản ứng này có kết nối trực tiếp với các trung tâm dữ liệu của Google — một hình thức được gọi là “phía sau đồng hồ đo” hay giải pháp đồng vị trí (co-location) — hay chúng sẽ cung cấp điện vào lưới điện và Google sẽ nhận phần điện thông qua thỏa thuận với Kairos.

Với thỏa thuận này, Google gia nhập cùng Microsoft và Amazon và một số ông lớn khác trong việc chuyển sang năng lượng hạt nhân để đáp ứng nhu cầu điện ngày càng tăng. Vào tháng 9, Microsoft đã công bố rằng họ sẽ trả tiền cho Constellation Energy để khởi động lại một lò phản ứng tại Three Mile Island ở California, đã bị ngừng hoạt động vào năm 2019. Đầu năm nay, Amazon cũng tuyên bố sẽ xây dựng một trung tâm dữ liệu siêu quy mô (hyperscale) và kết nối trực tiếp với một nhà máy hạt nhân khác tại Pennsylvania.

Nhu cầu điện cho các trung tâm dữ liệu

Mặc dù SMR được coi là một công nghệ mới tiên phong, được hậu thuẫn bởi các nhà đầu tư lớn như Bill Gates, người sáng lập Microsoft, nhưng công nghệ này vẫn còn non trẻ và chưa được phê duyệt theo quy định.

Quản lý cấp cao của Google, Michael Terrell, cho biết: “Nhìn chung, thỏa thuận này sẽ cung cấp lên đến 500 MW năng lượng không carbon cho lưới điện Hoa Kỳ và giúp nhiều cộng đồng hơn hưởng lợi từ năng lượng hạt nhân sạch và giá cả phải chăng.”

Trong khi chờ các giải pháp điện năng mới như SMR, các trung tâm dữ liệu lớn đang sử dụng một nguồn điện năng khổng lồ, và mức phát thải của các đơn vị này vẫn đang gia tăng nhanh chóng cho dù họ đang tích cực chuyển sang sử dụng nguồn điện tái tạo như điện gió và điện mặt trời.

Vào năm 2023, có đến 64% năng lượng sử dụng bởi các trung tâm dữ liệu và văn phòng của Google là năng lượng sạch, nhưng về tổng thể, lượng phát thải CO2 của công ty vẫn tăng 13% trong vòng một năm. Việc tiêu thụ năng lượng của các trung tâm dữ liệu là nguyên nhân chính trong sự gia tăng lượng phát thải của Google.

Trên thực tế, các trung tâm dữ liệu sử dụng nhiều điện hơn cả một số quốc gia.

Một thống kê vào năm 2020 – khi các trung tâm dữ liệu chưa phát triển mạnh như hiện nay – đã cho thấy mức tiêu thụ điện năng của các trung tâm này vượt xa quy mô tiêu thụ điện của một số nền kinh tế trung bình. Cụ thể, mức tiêu thụ điện năng của các trung tâm dữ liệu lớn trên thế giới vào năm 2020 ước tính là từ 200.000 đến 250.000 megawatts, so với 29.000MW của Nigeria, 73.000MW của Colombia; 124.000MW của Argentina; 153.000MW của Ai Cập, 208.000MW của Nam Phi, và 266.000MW của Indonesia.

Tuy nhiên, đó là dữ liệu cũ cách đây 4 năm. Thực tế, nhu cầu điện năng cho các trung tâm dữ liệu đã nhảy vọt theo cấp số nhân.

Một báo cáo được đăng tải vào tháng 5-2024 từ Viện Nghiên cứu Điện lực dự đoán nhu cầu năng lượng từ các trung tâm dữ liệu sẽ tăng gấp đôi vào năm 2030, với mức tăng vọt được thúc đẩy bởi thực tế là các ứng dụng AI cần lượng năng lượng gấp mười lần so với các tìm kiếm internet truyền thống.

Cơ quan Năng lượng Quốc tế đưa ra dự báo về thời điểm tăng gấp đôi sớm hơn — vào năm 2026. Các trung tâm dữ liệu, AI và lĩnh vực tiền điện tử đã tiêu thụ khoảng 460.000 megawatt-giờ (MWh) vào năm 2022, và có thể đạt hơn 1.000.000 MWh vào năm 2026, cơ quan này dự đoán.

Các trung tâm dữ liệu mới có thể được xây dựng trong vòng vài tháng, nhưng cần nhiều năm để xây dựng các dự án điện quy mô phù hợp, Poorvi Patel, quản lý về tầm nhìn chiến lược tại Viện Nghiên cứu Điện lực, cho biết. Tiềm năng tăng trưởng không bền vững trong nhu cầu điện đã đặt các nhà điều hành lưới điện vào tình trạng báo động. Mới đây, Eirgrid, một nhà điều hành truyền tải thuộc sở hữu nhà nước ở Ireland, đã cảnh báo về một “cuộc di cư hàng loạt” của các trung tâm dữ liệu ở Ireland nếu không thể kết nối các nguồn năng lượng mới.

Số liệu thống kê từ công ty nghiên cứu Omdia cho biết, chỉ trong quý II năm 2023, Nvidia đã vận chuyển hơn 900 tấn thiết bị GPU H100 cho các mục đích sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) và tính toán hiệu suất cao (HPC).

Chris Crosby, CEO của Compass Data Centers, đã tính toán sơ bộ (back-of-the-napkin math) về vấn đề này. Nếu bạn đưa tất cả các GPU này vào sử dụng cùng một lúc, chúng sẽ tiêu tốn hơn 30 GW điện. Làm thế nào để đáp ứng nhu cầu năng lượng khổng lồ này? Hiện tại, thị trường nào có thể đáp ứng được lượng năng lượng sạch này cho các trường hợp sử dụng AI?

Trong một cuộc trò chuyện gần đây, các nhà cung cấp dịch vụ năng lượng cho biết họ sẽ phải khởi động các nhà máy điện than để hỗ trợ các trường hợp sử dụng mới này. Điều này thật nực cười khi chúng ta phải sử dụng nhiên liệu hóa thạch để cung cấp năng lượng cho một số công nghệ tiên tiến nhất trên thế giới.

Điện cho Amazon Web Services – tranh chấp nguồn điện

Khi Amazon Web Services (AWS) chi 650 triệu đô la Mỹ vào tháng 3 để xây dựng thêm một trung tâm dữ liệu nhằm tăng cường hệ thống của mình, gã khổng lồ công nghệ này nghĩ rằng họ cũng đã mua được nguồn cung cấp năng lượng hạt nhân ổn định để vận hành nó. Nhà máy điện hạt nhân Susquehanna bên ngoài Berwick, Pennsylvania, có công suất 2.500MW, nằm ngay cạnh trung tâm dữ liệu đang hoạt động liên tục trước đó và đã cung cấp năng lượng trực tiếp cho trung tâm kể từ khi nó mở cửa vào năm 2023.

Sau khi đạt thỏa thuận, Amazon muốn thay đổi điều khoản trong hợp đồng ban đầu để mua thêm 180 megawatt điện trực tiếp từ nhà máy hạt nhân này. Susquehanna đã đồng ý bán, nhưng các bên thứ ba lại không hài lòng về điều đó, và thỏa thuận của họ đã vướng phải một cuộc tranh cãi pháp lý, có thể tạo ra tiền lệ cho các trung tâm dữ liệu, các hoạt động khai thác tiền điện tử và các cơ sở máy tính khác với nhu cầu khổng lồ về điện sạch.

Các đề xuất xây dựng trung tâm dữ liệu gần các nhà máy điện hạt nhân đã xuất hiện ở New Jersey, Texas, Ohio và nhiều nơi khác. Tuy nhiên, việc xây dựng trung tâm dữ liệu gần nhà máy điện lại đặt ra câu hỏi về công bằng và an ninh năng lượng, vì các trung tâm dữ liệu kết nối trực tiếp có thể tránh phải trả các khoản phí giúp duy trì lưới điện. Họ cũng chiếm dụng hàng trăm megawatt điện lẽ ra có thể được phân phối cho các khách hàng khác.

“Thực chất họ đang lấy điện trực tiếp từ nhà máy (going behind the meter) và làm giảm công suất trên lưới điện, công suất mà lẽ ra sẽ phục vụ cho tất cả khách hàng,” Tony Clark, cố vấn cấp cao tại công ty luật Wilkinson Barker Knauer và là cựu ủy viên tại Ủy ban Điều tiết Năng lượng Liên bang Hoa Kỳ (FERC), cho biết

Cuộc tranh cãi về thỏa thuận của AWS ký với Susquehanna bắt đầu vào tháng 6, sau khi AWS nộp thông báo thay đổi thỏa thuận dịch vụ kết nối (ISA) để mua thêm năng lượng hạt nhân từ công ty mẹ của Susquehanna, Talen Energy. Amazon muốn tăng lượng điện ngoài lưới mà họ mua từ nhà máy từ 300 MW lên 480 MW.

Ngay sau khi yêu cầu thay đổi, hai tập đoàn điện lực lớn là Exelon và American Electric Power (AEP) đã đệ đơn phản đối thỏa thuận và yêu cầu FERC tổ chức một phiên điều trần (a hearing) về vấn đề này.

Họ cho rằng thỏa thuận giữa Amazon và nhà máy hạt nhân sẽ gây tổn hại đến các bên thứ ba, cụ thể là tất cả khách hàng mua điện từ các công ty điện lực AEP hoặc Exelon. Văn bản phản đối cho rằng thỏa thuận này có thể đẩy thêm 140 triệu USD chi phí lên người dân ở Pennsylvania, New Jersey, và các bang khác.

“Với hàng loạt dự án tương tự đang được đề xuất (on the drawing board), rõ ràng là thỏa thuận này có hậu quả tài chính to lớn, không nên áp đặt lên người tiêu dùng mà không có quy trình đầy đủ để xác định và đánh giá điều gì đang thực sự xảy ra,” văn bản khiếu nại cho biết.

Exelon và AEP đã kêu gọi FERC tổ chức một phiên điều trần để giải quyết những vấn đề đã được mô tả hoặc, thay vào đó, bác bỏ thỏa thuận giữa AWS và nhà máy điện Susquehanna. Họ lập luận rằng những tác động của trường hợp này rất quan trọng và tuyên bố rằng nếu trung tâm dữ liệu AWS được phép tránh các chi phí đáng kể, các nhà phát điện và người tiêu dùng lớn khác có thể tìm kiếm những thỏa thuận tương tự.

Susquehanna bác bỏ lập luận đó, cho rằng thỏa thuận của họ với Amazon không liên quan đến AEP và Exelon. “Đây là một nỗ lực bất hợp pháp để phá hoại hợp đồng điều chỉnh hạn chế mà họ không có quyền lợi, và biến nó thành một cuộc trưng cầu dân ý quốc gia bất thường về tương lai cấp điện cho các trung tâm dữ liệu,” tuyên bố của Susquehanna nêu rõ.

Nhiều tranh chấp tương tự có thể xảy ra khi ngày càng có nhiều trung tâm dữ liệu được đặt cạnh các nguồn năng lượng sạch. Kevin Schneider, chuyên gia về hệ thống điện tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương và giáo sư nghiên cứu tại Đại học Bang Washington, cho rằng việc các trung tâm dữ liệu muốn có nguồn năng lượng hạt nhân ổn định và nhất quán là điều dễ hiểu. “Nếu bạn nhìn vào bản chất tải cơ bản của hạt nhân, bạn chỉ cần thiết lập một mức công suất và giữ nguyên ở đó. Điều này rất phù hợp với các trang trại máy chủ (trung tâm dữ liệu).”

“Dù bạn đang nói về Google, Apple hay Microsoft hay bất kỳ công ty nào khác, họ thường có các mục tiêu bền vững của doanh nghiệp. Được phục vụ bởi một đơn vị hạt nhân trông rất tuyệt trên bảng cân đối carbon của họ,” Clark nói.

Tuy nhiên, những thỏa thuận như vậy có thể gây ra hậu quả lớn đối với các khách hàng năng lượng khác, Clark lập luận. Đầu tiên, việc dành toàn bộ năng lượng từ một nhà máy hạt nhân cho một trung tâm dữ liệu, về cơ bản, không khác gì việc cho nghỉ hưu nhà máy đó và loại bỏ nó khỏi lưới điện. “Đây là một khối công suất lớn rời khỏi hệ thống,” ông nói, dẫn đến giá điện cao hơn và ít nguồn cung năng lượng hơn cho mọi người khác.

Bằng cách kết nối trực tiếp với nhà máy điện, chủ sở hữu trung tâm tránh phải trả các khoản phí hành chính dùng để duy trì lưới điện và phát triển cơ sở hạ tầng của nó. Những chi phí đó sau đó có thể chuyển sang cho các doanh nghiệp và cư dân phải mua điện từ lưới điện.

Thậm chí những điểm nhấn truyền thông về việc “không phát thải carbon” đi kèm với việc đồng vị trí cũng có thể là vấn đề đáng quan tâm trong một số trường hợp. Tại bang Washington, các trung tâm dữ liệu mới đang được xây dựng bên cạnh các nhà máy thủy điện lớn của khu vực, và họ đang sử dụng rất nhiều năng lượng đó đến mức một số nơi trong bang đang xem xét việc bổ sung thêm công suất nhiên liệu hóa thạch để đáp ứng nhu cầu. Điều này dẫn đến một “trò chơi không phát thải đánh lừa (zero-emissions shell game)”, Clark nhận xét trong một báo cáo.

Lò phản ứng mô-đun nhỏ và giải pháp đồng vị trí

Trong trường hợp của Google nêu lên ở trên, giải pháp hợp tác với Kairos Power là đặt trung tâm dữ liệu của mình bên cạnh nhà máy hạt nhân nhỏ của công ty điện lực, thay vì mua điện từ một nhà máy truyền thống.

Kairos Power là một trong số các công ty khởi nghiệp hạt nhân mới xây dựng các lò phản ứng mô-đun nhỏ (small-modular reactors – SMR) nhằm giảm chi phí và rút ngắn thời gian xây dựng các nhà máy điện hạt nhân.

Phần lớn các nhà máy hạt nhân hiện nay là các công trình khổng lồ, cung cấp 1.000 megawatt trở lên nhưng mất nhiều năm để lên kế hoạch và gần một thập kỷ để xây dựng. Các lò phản ứng phân hạch mới nhất tại Mỹ, Vogtle Units 3 và 4 ở Georgia, đã được đưa vào hoạt động lần lượt vào năm 2023 và 2024. Tuy nhiên, chúng bị trễ bảy năm và vượt ngân sách 17 tỷ USD.

Các công ty khởi nghiệp SMR đang cố gắng xây dựng các nhà máy điện hạt nhân nhanh hơn và rẻ hơn bằng cách sử dụng các kỹ thuật sản xuất hàng loạt để giảm chi phí và đẩy nhanh thời gian xây dựng. Kairos Power cho biết các lò phản ứng hạt nhân mô-đun nhỏ (SMR) mà họ sẽ cung cấp cho Google được làm mát bằng muối fluoride nóng chảy thay vì nước. Công ty cho rằng thiết kế này được xem là an toàn hơn so với các lò phản ứng truyền thống vì chất làm mát không sôi.

Ủy ban Điều tiết Hạt nhân đã phê duyệt kế hoạch của công ty khởi nghiệp này cho một lò phản ứng thử nghiệm công suất 35 megawatt.

Dù đã nhận được sự chấp thuận (regulatory nod) của cơ quan quản lý, Kairos vẫn đối mặt với nhiều thách thức đáng kể. Hiện chưa có lò phản ứng mô-đun nhỏ nào được đưa vào hoạt động thương mại, điều này có nghĩa là hiệu quả kinh tế của chúng vẫn chưa được chứng minh. Ngoài ra, thiết kế sử dụng muối nóng chảy của Kairos đi ngược lại với hàng thập kỷ kinh nghiệm của ngành công nghiệp với các lò phản ứng làm mát bằng nước.

Trong báo cáo “Giải pháp tải đồng vị trí (the co-located load solution)”, Michael Kormos, cựu Giám đốc Điều hành tại công ty phân phối điện PJM Interconnection, cho biết việc đặt các trung tâm dữ liệu cùng vị trí với nhà máy hạt nhân sẽ giảm áp lực xây dựng thêm cơ sở truyền tải điện, từ đó tránh được các chậm trễ kết nối kéo dài. Khả năng cung cấp trên lưới điện sẽ được giải phóng cho các nguồn điện mới kết nối như các dự án năng lượng gió và năng lượng mặt trời.

Kormos cũng lập luận rằng việc đồng vị trí các trung tâm dữ liệu sẽ đảm bảo chi phí tích hợp tập trung vào chủ sở hữu trung tâm dữ liệu, thay vì chia sẻ chi phí ra cho những người sử dụng điện khác.

“Theo kinh nghiệm của tôi, việc kết nối một trung tâm dữ liệu vào lưới điện trước đồng hồ đo sẽ cần nâng cấp truyền tải nhiều hơn so với việc đồng vị trí với một nhà máy điện, vì không phụ thuộc vào lưới điện để cung cấp dịch vụ,” ông nói.

“Trong trường hợp đồng vị trí, dây nối với lưới điện bị cắt – trung tâm dữ liệu không gây ra chi phí cho lưới điện, không sử dụng bất kỳ dịch vụ nào từ lưới điện, và không phải là khách hàng của chủ sở hữu hệ thống truyền tải,” ông nói.

Bret Kugelmass, CEO của Last Energy, một nhà phát triển lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMR) cho các đơn vị tư nhân bao gồm các trung tâm dữ liệu, cho biết. “Chúng tôi muốn mọi người sống một lối sống tiêu thụ năng lượng cao. Để điều này xảy ra, việc sản xuất năng lượng cần được tách khỏi tác động môi trường và do đó, năng lượng sạch cần phải dồi dào và rẻ.”

Theo Bret Kugelmass, trước tiên, phải tập trung mạnh vào khả năng cung cấp, bắt đầu từ công nghệ. Có rất nhiều thiết kế lò phản ứng mới, tất cả đều hấp dẫn từ góc độ kỹ thuật. Tuy nhiên, những thiết kế thành công sẽ sử dụng các công nghệ đã được chứng minh để phục vụ thị trường này và đạt được thành công thương mại.

Last Energy sử dụng thiết kế lò phản ứng nước nhẹ đã được chứng minh, hiện đại hóa để mở rộng quy mô. Bằng cách chuẩn hóa thiết kế và định cỡ nó cho các ứng dụng thương mại như trung tâm dữ liệu, họ có thể cung cấp nhanh hơn, tiết kiệm chi phí hơn, và giảm thiểu rủi ro về tài chính và việc triển khai dự án.

Các SMR của Last Energy được lắp ráp sẵn đến 95%, vận chuyển trên xe tải, và lắp ráp tại chỗ. Mỗi đơn vị là một SMR 20 MW, và họ có thể đáp ứng nhu cầu bằng cách lắp đặt bao nhiêu đơn vị mà khách hàng cần thay vì xây dựng một thiết kế nhà máy tùy chỉnh.

Theo Kugelmass, hạt nhân không chỉ là con đường tốt nhất cho lĩnh vực này mà có thể là con đường duy nhất: “Ngành trung tâm dữ liệu là ứng dụng lý tưởng cho năng lượng hạt nhân tại chỗ. Bạn có một ngành công nghiệp đang phát triển nhanh chóng, nhưng ngày càng phải đối mặt với những hạn chế về nguồn cung năng lượng. Ngành này cam kết mua năng lượng không phát thải carbon nhưng lại cần nguồn điện nền truyền thống được cung cấp bởi các nhà máy khí hoặc than. Hạt nhân là câu trả lời, và ngành công nghiệp này đã nhanh chóng nhận ra điều đó.”

Tony Clark, cố vấn cấp cao tại công ty luật Wilkinson Barker Knauer và là cựu ủy viên tại Ủy ban Điều tiết Năng lượng Liên bang Hoa Kỳ, cũng đồng tình.

“Đối với tôi, nhu cầu năng lượng 24/7, không phát thải carbon, năng lượng hạt nhân dường như là câu trả lời,” Clark nói. “Họ cũng có bảng cân đối tài chính để có thể thực hiện một số biện pháp giảm thiểu rủi ro khiến cho việc triển khai một SMR trở nên hấp dẫn.”

Nhà máy điện hạt nhân Susquehanna Steam Electric Station, gần Berwick, bang Pennsylvania, cung cấp điện cho một trung tâm dữ liệu liền kề thuộc sở hữu của Amazon Web Services. Ảnh: AP