HOA KỲ – Các hệ thống địa nhiệt dựa trên tầng ngậm nước, được gọi là hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt trong tầng ngậm nước (ATES – aquifer thermal energy storage) (*), có thể giúp giảm bớt áp lực môi trường bắt nguồn từ các trung tâm dữ liệu trí tuệ nhân tạo (AI) tại Hoa Kỳ. Các nhà nghiên cứu tại viện nghiên cứu thảo nguyên (Prairie research institute) thuộc đại học Illinois Urbana-Champaign đã đề xuất một phương pháp mới để làm mát các cơ sở này bằng cách sử dụng nhiệt độ ổn định tự nhiên dưới lòng đất và nước ngầm như một pin nhiệt lớn của tự nhiên.
(*) ATES: là một công nghệ địa nhiệt tiên tiến, sử dụng nguồn nước ngầm tự nhiên sâu dưới lòng đất để lưu trữ và cung cấp năng lượng nhiệt (nóng hoặc lạnh). Thay vì để nhiệt độ dư thừa thoát ra môi trường hoặc dùng các hệ thống làm mát bằng điện tiêu tốn nhiều năng lượng, ATES biến các tầng ngậm nước dưới lòng đất thành một pin nhiệt lớn.

Nghiên cứu mới, do các nhà nghiên cứu Yu-Feng Lin, Andrew Stumpf và nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Upasana Pandey thuộc cơ quan khảo sát địa chất bang Illinois (Illinois state geological survey) dẫn đầu, đã đề xuất một giải pháp khả thi về mặt kỹ thuật và hiện chưa được khai thác hết tiềm năng để làm mát trung tâm dữ liệu. Họ phát hiện ra rằng trong các điều kiện lý tưởng, việc tăng hiệu suất sẽ dẫn đến giảm tổng thể nhu cầu điện năng dành cho việc làm mát.

Các phát hiện của nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Groundwater.

Tiến sĩ Pandey chia sẻ: “Các trung tâm dữ liệu tiêu thụ một lượng điện năng lớn, và tùy thuộc vào thiết kế, có từ 10% đến 40% lượng năng lượng đó chỉ được dùng cho việc làm mát. Chúng cũng tiêu thụ một khối lượng nước lớn, thường là thông qua các phương pháp làm mát bằng bốc hơi, khiến nguồn nước địa phương bị thất thoát.”

Các nhà nghiên cứu đề xuất rằng hệ thống ATES có thể được tích hợp vào các trung tâm dữ liệu để làm mát tự nhiên hoặc trực tiếp, hoặc để bổ trợ cho một hệ thống làm mát khác. Nguyên lý đơn giản: nước từ tầng ngậm nước bên dưới được bơm qua các đường ống ngầm vào trung tâm dữ liệu. Nguồn nước ngầm mát này có thể hấp thụ nhiệt do trung tâm dữ liệu tạo ra thông qua một bộ trao đổi nhiệt, sau đó lượng nước ấm được đưa trở lại lòng đất và lưu trữ để sử dụng trong tương lai. Vào mùa hè, lượng nhiệt dư thừa từ việc làm mát các trung tâm dữ liệu có thể được đưa trở lại chính tầng ngậm nước đó, lưu trữ dưới lòng đất và sau đó được tái sử dụng vào mùa đông để sưởi ấm. Ngược lại, vào mùa đông, nước ngầm lạnh có thể được lưu trữ để sử dụng cho mùa hè.

Sơ đồ vận hành của hệ thống ATES minh họa hoạt động vào mùa hè (bên trái) và mùa đông (bên phải)

Nhà nghiên cứu Stumpf nói rằng: “Ở những nơi như bang Illinois, có sự phân hóa mùa rõ rệt và khi địa chất dưới lòng đất là lý tưởng, thay vì liên tục cố gắng điều hòa theo nhiệt độ ngoài trời vốn dao động mạnh từ 32°C vào mùa hè xuống đến -23°C vào mùa đông, có thể khai thác mức nhiệt độ gần như không đổi của trái đất. Không còn cần điều chỉnh nhiệt độ từ 32°C xuống 21°C (70°F) nữa; mà chỉ đang điều chỉnh từ 12°C lên 21°C. Đó là một khoản tiết kiệm năng lượng lớn.”

Theo nhóm nghiên cứu, bang Illinois có những lợi thế phù hợp cho loại hệ thống này nhờ ba yếu tố chính. Thứ nhất, mùa hè nóng và mùa đông lạnh tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ theo mùa rõ rệt, lý tưởng cho việc lưu trữ nhiệt dưới lòng đất. Thứ hai, các tầng ngậm nước và nguồn nước ngầm phong phú của khu vực giúp quá trình trao đổi nhiệt diễn ra hiệu quả hơn. Thứ ba, các lớp trầm tích sông băng và các vật liệu dưới lòng đất khác ở miền trung Illinois có các đặc tính nhiệt phản hồi tốt khi được bão hòa nước. Và các nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng phạm vi thay đổi nhiệt độ dưới mặt đất không gây ảnh hưởng đến môi trường.

Điều quan trọng là nước được sử dụng trong các hệ thống này không cần là nguồn nước uống. Nhóm nghiên cứu chỉ ra rằng các tầng ngậm nước mặn sâu hơn, một số nơi còn mặn hơn cả nước biển, hoặc là nước ngầm bị ô nhiễm và các mỏ bỏ hoang ngập nước đều là những nguồn cấp nước nhiều tiềm năng.

Các nhà nghiên cứu cho biết rào cản chính không nằm ở yếu tố khoa học hay kỹ thuật. Các hệ thống địa nhiệt và tầng ngậm nước có chi phí đầu tư ban đầu cao hơn nhưng chi phí vận hành về lâu dài lại thấp hơn. Nhiều dự án hiện nay chỉ được đánh giá trên chu kỳ từ 5 đến 10 năm, thay vì vòng đời từ 20 đến 40 năm, khoảng thời gian mà các hệ thống này mang lại lợi ích lớn nhất. Xét về khía cạnh lực lượng lao động và chuyên môn, các kỹ năng khoan cần thiết vốn đã sẵn có trong ngành dầu khí và ngành khoan giếng nước.

Nhà nghiên cứu Lin giải thích: “Các trung tâm dữ liệu nằm ở trung tâm của mối liên kết giữa nước và năng lượng: Nếu cố gắng giảm sử dụng năng lượng, thường cần dùng nhiều nước hơn, và nếu giảm sử dụng nước, có thể cần nhiều năng lượng hơn. Nghiên cứu của nhóm hướng tới các giải pháp giải quyết đồng thời cả hai vấn đề này. Nước là một nguyên liệu kỳ diệu trong bối cảnh này vì nó có nhiệt dung riêng cao và có thể là một chất dẫn nhiệt tốt nhờ dòng chảy. Sự kết hợp đó rất hiếm có, và với nước ngầm, có thể khai thác chính những đặc tính đó để lưu trữ năng lượng.”

Để xem các tin bài khác về “Làm mát ngầm”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online