Các đại công ty công nghệ đang tiêu thụ điện và nước của Mỹ như thế nào

Khi các chính sách về phát thải ròng bằng 0 (net zero) của liên bang tìm cách chuyển các ngành giao thông, sưởi ấm, và các ngành thiết yếu khác vào lưới điện thì một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất của nền kinh tế Mỹ chuẩn bị tăng mạnh nhu cầu sử dụng điện, gây căng thẳng thêm cho một cơ sở hạ tầng năng lượng vốn đang bị đẩy vào tình trạng báo động.

Các trung tâm dữ liệu, còn được gọi là “bộ não của Internet,” là các nhà kho công nghiệp chứa đầy các hàng máy chủ. Chúng xử lý, truyền tải thông tin, và lưu trữ dữ liệu đằng sau mọi thứ từ các hồ sơ ngân hàng, những nhà bán lẻ trực tuyến, và các nền tảng truyền thông xã hội cho đến các chương trình Netflix và video cá nhân trên iPhone của quý vị.

“Các trung tâm dữ liệu rất cần thiết đối với điện toán đám mây và khả năng cung cấp cho người dùng quyền truy cập từ xa vào dữ liệu,” một báo cáo của Hệ thống Dự trữ Liên bang năm 2023 viết, trích dẫn một bài báo của tạp chí Science gọi các trung tâm này là “trụ cột thông tin của một thế giới ngày càng số hóa.”

Nhiều nhà phân tích ca ngợi các trung tâm dữ liệu là một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất của thị trường địa ốc, nhưng ngành này có thể sớm gặp khó khăn khi các cộng đồng địa phương ngày càng phản đối nhu cầu điện và nước dường như vô độ của họ.

Theo một báo cáo hồi tháng Một của Newmark, một công ty tư vấn địa ốc thương mại, “Trong khi các lĩnh vực địa ốc thương mại khác đang trải qua sự suy giảm về quy mô xây dựng, thì việc xây dựng trung tâm dữ liệu lại đạt mức cao chưa từng có.”

“Tuy nhiên, sự tăng trưởng ngày càng bị hạn chế bởi đất đai và nguồn điện sẵn có, những thách thức về chuỗi cung ứng và sự chậm trễ trong xây dựng, chưa kể đến sự phản kháng ngày càng tăng từ một số khu vực pháp lý địa phương.”

Báo cáo cho biết sự phát triển nhanh chóng của trí tuệ nhân tạo (AI) và các công nghệ khác đang thúc đẩy nhu cầu này.

Dẫn đầu ngành này là các đại công ty điện toán đám mây như Amazon Web Services (AWS), Microsoft Azure, Google Cloud, và Meta, hơn nữa còn có các chủ nhà kỹ thuật số, hay còn gọi là dịch vụ cho thuê chỗ đặt máy chủ (co-location), nơi cho bên thứ ba thuê không gian lưu trữ. Những công ty đó gồm Equinix, Digital Realty, và CyrusOne.

Các kho dữ liệu tiêu thụ 17 GW điện vào năm 2022, tương đương với khoảng 4% tổng mức tiêu thụ của Hoa Kỳ. Con số này dự kiến sẽ tăng gấp đôi lên 35 GW vào năm 2030.

Ông Eric Woodell, tiến sĩ khoa học về hệ thống thông tin và truyền thông, đồng thời là người sáng lập Amerruss, một công ty quản lý cơ sở hạ tầng công nghệ, gọi các trung tâm dữ liệu là “những nơi tiêu tốn năng lượng.”

“Nhưng giờ đây, trung tâm dữ liệu dành cho các ứng dụng AI của quý vị không còn là một nơi tiêu tốn năng lượng nữa mà là một vấn đề nổi cộm đang hiện diện phía sân sau nhà quý vị,” ông nói với The Epoch Times.

Ông Woodell đã quản lý các trung tâm dữ liệu trong 25 năm, trước đây từng làm việc cho Vanguard, công ty quản lý tài sản lớn thứ hai thế giới.

Ông cho biết, một không gian chỉ rộng 10 foot vuông (khoảng 0.9 mét vuông) trong trung tâm dữ liệu trung bình tiêu thụ lượng điện nhiều gấp 10 lần so với một ngôi nhà trung bình.

“Trong khi các trung tâm dữ liệu thông thường đang tiêu thụ một lượng điện năng rất lớn, thì điện toán AI không sử dụng các đơn vị xử lý trung tâm (CPU) mà thay vào đó là các hệ thống dựa trên các đơn vị xử lý đồ họa (GPU), vì GPU được thiết kế để xử lý tốt hơn các hàm toán học phức tạp,” ông nói. “Nhưng có một nhược điểm: hệ thống này tiêu thụ điện năng gấp 5 đến 10 lần so với các hệ thống CPU được trang bị tương tự.”

Nhu cầu điện tăng mạnh này gây căng thẳng cho một mạng lưới vốn đã được dự đoán sẽ xảy ra tình trạng thiếu điện và mất điện luân phiên thường xuyên trong những năm tới. Điều này là do có nhiều nhu cầu được đặt lên lưới điện hơn vào thời gian này, khi các nhà cung cấp điện đang tích cực đóng cửa các nhà máy than và khí đốt trong tiến trình chuyển đổi sang phong năng và quang năng.

Giảm tải có nghĩa là cắt điện đối với người tiêu dùng, hay tạo ra các đợt mất điện, để ngăn chặn tình trạng sụp đổ hệ thống.

Theo một nghiên cứu hồi tháng Hai của Quanta Technologies về trường hợp của một công ty điện lực lớn trong khu vực, công ty PJM, “tình trạng quá tải thiết bị sẽ khiến công suất cho nhu cầu cao điểm trung bình vào mùa đông bị giảm tải lên tới 6.826 MW” trong vài năm tới.

Giảm tải có nghĩa là cắt điện đối với người tiêu dùng, hay tạo ra các đợt mất điện, để ngăn chặn tình trạng sụp đổ hệ thống.

PJM phục vụ cho hàng chục tiểu bang phía đông vùng Trung Đại Tây Dương với tư cách là một nhà cung cấp sỉ.

“Phân tích cho thấy tình trạng quá tải dự kiến của 30 cơ sở truyền tải công suất lớn (230 kV trở lên) vào mùa hè năm 2028 chủ yếu do tăng trưởng phụ tải cao liên quan đến các trung tâm dữ liệu mới,” báo cáo nêu rõ.

Một cách đáng ngạc nhiên, dù việc chuyển đổi sang năng lượng tái tạo được cho là để chống lại sự tăng nhiệt độ, nhưng báo cáo của Quanta phát hiện rằng “nhu cầu điện đang chạm mức cao điểm ít hơn vào mùa hè và nhiều hơn vào mùa đông.” Điều này là đặc biệt đáng lo ngại khi các tiểu bang ở bờ Tây và miền Đông Bắc đại diện cho gần một phần ba người tiêu dùng khí đốt tự nhiên trên khắp Hoa Kỳ, đang cấm sử dụng hệ thống sưởi bằng khí đốt trong những ngôi nhà mới, buộc các gia đình tại đó phải phụ thuộc vào điện năng để vận hành chức năng sưởi ấm cần thiết.

Ông Woodell cho biết, PJM dự báo nhu cầu tiêu thụ điện của trung tâm dữ liệu sẽ tăng lên 7,500 MW vào năm 2028, kết hợp với việc ngừng sản xuất 11,100 MW năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch, điều này sẽ gây ra một lượng thiếu hụt là 18.6 GW điện năng chênh lệch giữa nhu cầu mới này và nguồn cung cấp còn lại trong lĩnh vực.

“18.6 GW sẽ cung cấp năng lượng gấp ba lần nhu cầu của khoảng 3 triệu ngôi nhà hoặc cả thành phố New York,” ông nói. “Những hậu quả là vô cùng to lớn.”

Cửa ngõ trung tâm dữ liệu

Theo ông Ryan Yonk, một nhà kinh tế tại Viện Nghiên cứu Kinh tế Hoa Kỳ (AIER), trên toàn cầu, các trung tâm dữ liệu tiêu thụ khoảng 3% điện năng của thế giới. Ông cho rằng mức tiêu thụ này có xu hướng ổn định và có thể dự đoán được, đồng thời các công ty cung cấp điện có thể mở rộng để đáp ứng nhu cầu này.

Tuy nhiên, vấn đề phát sinh khi các trung tâm tập trung vào một khu vực duy nhất, đặc biệt nếu khu vực đó đang chuyển đổi khỏi việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch.

Ông Yonk nói với The Epoch Times: “Đối với các cộng đồng riêng lẻ, có một số câu hỏi thiết thực được đặt ra về các trung tâm dữ liệu sắp được khai triển, đặc biệt là liệu các trung tâm này có được tập trung lại hay không, và các trung tâm này thường là như vậy.”

“Các trung tâm dữ liệu rồi cũng sẽ đi đến lúc đòi hỏi có được nguồn điện ổn định, điều đó có nghĩa là lưới điện có thể được mở rộng khá tốt miễn là có công suất sản xuất đủ lớn,” ông cho biết. “Nhưng khi chúng ta chuyển đổi sang năng lượng tái tạo … nhu cầu cơ bản đó càng nhiều thì rắc rối càng có thể xảy ra.”

Phạm vi nghiên cứu của PJM và Quanta là một khu vực rất quan trọng vì trong khu vực này có trung tâm dữ liệu lớn nhất thế giới, nơi đặt khoảng một nửa số trung tâm dữ liệu của Hoa Kỳ và là nơi ước tính có khoảng 70% lưu lượng truy cập Internet của thế giới đi qua.

Đối với bất kỳ ai thực hiện một thao tác tìm kiếm trên Google hoặc một đơn mua hàng trên Amazon, giao dịch đó có thể sẽ được thực hiện thông qua cơ sở gọi là Cửa ngõ Trung tâm Dữ liệu (Data Center Alley), nơi có khoảng 150 kho dữ liệu ở quận Loudoun, phía bắc Virginia.

Cửa ngõ Trung tâm Dữ liệu bắt đầu đi vào hoạt động vào những năm 1980 khi America Online (AOL) đặt trụ sở chính ở đó. Trung tâm này nhanh chóng thu hút những trung tâm dữ liệu khác nhờ có vị trí gần Hoa Thịnh Đốn, việc trung tâm xây dựng mạng lưới cáp quang “dày đặc nhất thế giới,” có nguồn cung cấp điện tương đối rẻ, và các ưu đãi thuế tại địa phương.

Bà Julie Bolthouse, giám đốc về sử dụng đất đai tại Hội đồng Môi trường Piedmont (PEC), nói với The Epoch Times: “Đây là khu vực mà quý vị muốn đặt địa điểm để kết nối với mọi nơi khác.”

“Mọi người đang bồi đắp lẫn nhau trong các trung tâm dữ liệu này; quý vị phải nghĩ về nơi này như một mạng lưới đồ sộ đang liên lạc với nhau,” bà nói.

“Những gì đã diễn ra từ những năm 1990 đến nay là chúng tôi đã gia tăng quy mô của các trung tâm này. Chúng tôi đã đi từ một tòa nhà nhỏ nguyên là một phần của khuôn viên doanh nghiệp lớn hơn và chỉ có 5 MW, đến những tòa nhà kiểu nhà kho siêu quy mô hiện có diện tích 200,000 feet vuông (khoảng 60,960 mét vuông), và họ đang sử dụng tới 90 MW mỗi tòa nhà.”

Theo báo cáo của PEC, về quy mô, 90 MW tương đương với mức tiêu thụ điện của 22,000 ngôi nhà.

Năm 2022, mạng lưới trung tâm dữ liệu ở phía bắc Virginia đã được mở rộng với một dự án phát triển tên là Digital Gateway, một cụm có quy mô gần bằng Digital Alley, tọa lạc tại quận Prince William lân cận. Bà Bolthouse cho biết, khu vực phát triển mới này gồm 37 tòa nhà và 14 trạm biến áp, mỗi trạm có diện tích 200,000 feet vuông (60,960 mét vuông), và nhiều khu phát triển khác đang được khai triển trên toàn khu vực này.

PEC nêu rõ trong báo cáo rằng các trung tâm dữ liệu hiện tại và sắp tới sẽ tăng mức sử dụng điện lên hơn 20 GW. Hiện tại, tổng nhu cầu cao nhất cho khu vực đó là 23 GW, vì vậy các trung tâm dữ liệu phía bắc Virginia sẽ làm tăng gần như gấp đôi nhu cầu điện của địa phương, tiêu tốn một lượng điện năng nhiều như khối lượng cung cấp cho khoảng 5.5 triệu gia đình.

Vấn đề đối với cộng đồng địa phương là, một khi chính quyền đô thị chấp thuận dự án phát triển này, thì công ty cung cấp điện phải xây dựng đường dây truyền tải và hệ thống phát điện mới để phục vụ sự phát triển đó. Chi phí của cơ sở hạ tầng mới này phần lớn do cộng đồng gánh chịu dưới hình thức hóa đơn tiền điện cao hơn dành cho tất cả những người chi trả.

“Khi thanh toán hóa đơn tiền điện mỗi tháng, quý vị đang trợ cấp rất lớn cho các công ty trị giá hàng tỷ dollar như Amazon, Google, Microsoft, và Apple,” báo cáo của PEC cho biết.

Do đó, các trung tâm dữ liệu ngày càng vấp phải sự phản đối của người dân địa phương, khi họ cố gắng xây dựng cơ sở mới.

Một trong các nhóm phản đối là Liên minh Cải tổ Trung tâm Dữ liệu Virginia, bao gồm khoảng 40 tổ chức gồm các hiệp hội chủ sở hữu nhà, các nhóm bảo vệ tài nguyên thiên nhiên, các tổ chức bảo tồn lịch sử, và các nhà hoạt động khí hậu.

Tổ chức này, do bà Bolthouse giữ vai trò lãnh đạo, đang nỗ lực để thông qua luật pháp địa phương nhằm làm chậm hoặc ngăn chặn việc mở rộng các trung tâm dữ liệu.

Tìm kiếm địa điểm mới để xây dựng

Do đó, các nhà phát triển đã bắt đầu tìm kiếm nơi khác để khảo sát đất đai, năng lượng giá rẻ, và nguồn nước ngầm dồi dào. Các địa điểm mục tiêu gồm Atlanta, Georgia, và Columbus, Ohio. Cheyenne, Wyoming cũng đã phê chuẩn việc phát triển trung tâm dữ liệu quan trọng.

Các nhà phát triển trung tâm dữ liệu cũng đang tìm kiếm địa điểm ở ngoại quốc. Hồi tháng 06/2023, BBC đưa tin rằng các trung tâm dữ liệu sử dụng khoảng 1/5 tổng lượng điện ở Cộng hòa Ireland, tương đương với lượng điện được sử dụng ở tất cả các quận nội thành của đất nước cộng lại.

BBC cho biết mức tiêu thụ năng lượng ở Ireland của các kho dữ liệu này đã tăng 31% từ năm 2021 đến năm 2022 và tăng 400% kể từ năm 2015.

Ông Woodell cho biết, thậm chí đã có thời điểm, trước khi Nga xâm lược Ukraine, người ta đã cân nhắc việc đặt các trung tâm dữ liệu ở những địa điểm lạnh giá như Siberia, một vài địa điểm trong số này cũng có nguồn cung cấp năng lượng hạt nhân dồi dào. “Nhưng rõ ràng là dự định này không còn nữa vì những lo ngại địa chính trị.”

Cuối cùng, ông tin rằng các chính phủ sẽ vào cuộc để đặt ra các giới hạn cho ngành này khi lưới điện ngày càng không thể đáp ứng nhu cầu công cộng, buộc các quốc gia phải lựa chọn giữa dữ liệu và các nhu cầu thiết yếu như sưởi ấm hoặc cung cấp điện cho bệnh viện.

“Tôi nghĩ cuối cùng sẽ có những lệnh đình chỉ,” ông nói. “Ở châu Âu và ở Vương quốc Anh, về cơ bản, họ đã đưa ra lệnh đình chỉ xây dựng bất kỳ trung tâm dữ liệu mới nào vì không có đủ điện.”

Và sự cạn kiệt tài nguyên địa phương không chỉ dừng lại ở điện mà còn bao gồm cả việc sử dụng nước.

Các trung tâm dữ liệu tập trung một lượng điện năng đáng kể trong một không gian nhỏ, tạo ra nhiều nhiệt hơn so với mức chỉ làm mát bằng không khí có thể giảm thiểu. Do đó, các trung tâm này tiêu thụ một lượng lớn nước ngầm để giữ cho các máy chủ không bị quá nóng.

Chẳng hạn như Google đã báo cáo rằng họ tiêu thụ 5.6 tỷ gallon (khoảng 21.2 triệu mét khối) nước vào năm 2022, chủ yếu để làm mát các trung tâm dữ liệu của họ. Đây là mức tăng 20% so với mức sử dụng vào năm 2021.

Báo cáo của Fed cho biết ngành dịch vụ trung tâm dữ liệu được xếp vào 10 ngành tiêu thụ nước lớn nhất vào năm 2021.

Theo ông Owen Williams, giám đốc kỹ thuật của Subsea Cloud, một nhà sản xuất “các thùng chứa” máy chủ dữ liệu dưới nước, khi năng lượng được đưa vào máy công nghiệp, xe hơi, hoặc phi cơ, năng lượng đó sẽ được chuyển thành chuyển động vật lý, còn được gọi là “công” (một đại lượng vật lý).

“Khi nói về các trung tâm dữ liệu, thì trong một chiếc máy điện toán hoàn toàn không tồn tại công,” ông Williams nói với The Epoch Times. “Và khi quý vị cho năng lượng đi vào máy móc và trong bộ máy đó không tồn tại công, thì từng phần năng lượng đi vào phải thoát ra trở lại dưới dạng nhiệt,” ông nói.

“100% năng lượng mà quý vị truyền vào một máy chủ phải được phóng thích ra khỏi máy chủ đó,” ông Williams nói. “Nếu quý vị để năng lượng đó tích tụ, thì về cơ bản máy chủ sẽ bốc cháy, vì vậy với mật độ máy điện toán ngày càng tăng, nhu cầu phóng thích nhiệt này trở nên vô cùng lớn.”

Ông cho biết, thông thường, ngoài lượng điện dùng để cung cấp năng lượng cho máy điện toán, trung bình cần thêm 40% điện năng nữa để làm mát chúng. Điều này gây thêm căng thẳng cho lưới điện và tiêu thụ một lượng lớn nước ngầm tại địa phương trong quy trình này.

Các trung tâm dữ liệu có thể phát triển mạnh dưới biển không?

Các công ty như Microsoft, Subsea Cloud, và một số đối thủ cạnh tranh Trung Quốc tin rằng họ đã tìm ra giải pháp: đưa các trung tâm dữ liệu vào các thùng chứa được đặt dưới vùng nước sâu ngoài khơi.

Các công ty này đã phát triển các công nghệ mới có thể đặt trung tâm dữ liệu ở vùng nước ven biển, cách mặt nước hàng ngàn feet.

Nhiệt độ hoạt động bình thường của một vi mạch máy điện toán là trên 70°C (158°F), đến nỗi ngay cả ở vùng biển nhiệt đới “quý vị vẫn có sự chênh lệch rất lớn giữa nguồn nước và vi mạch, đến nỗi nước sẽ truyền lượng nhiệt này ra khỏi vi mạch mà không tốn chút năng lượng nào để làm được điều đó,” ông Williams nói.

Tuy nhiên, trong khi Microsoft đã xây dựng các thùng chứa máy chủ dữ liệu với vỏ bọc thép dày 5 inch (12.7 cm) để giữ cho áp lực biển sâu không ép lên các thùng chứa, thì Subsea Cloud sẽ đổ đầy các thùng chứa máy chủ dữ liệu của mình bằng chất lỏng không ăn mòn đã được cấp bằng sáng chế, sử dụng các ổ đĩa thể rắn có thể hoạt động trong môi trường chất lỏng. Điều này phục vụ hai chức năng.

“Thứ nhất, công nghệ này truyền nhiệt rất hiệu quả,” ông Williams nói. “Thứ hai, nó giúp duy trì áp suất bên trong thùng chứa bằng với bên ngoài.” Điều này đòi hỏi các thành của thùng chứa dưới biển chỉ dày 1/4 inch (6.35 mm) là đủ.

Ông nói, mặc dù phải mất một vài lần thuyết phục để khiến các công ty công nghệ xem xét giải pháp thay thế dưới nước, nhưng nhu cầu về thùng chứa dưới đáy biển hiện tại là “rất lớn.”

“Chúng tôi rất may mắn khi được ở một nơi mà các công ty rất lớn đang đối thoại với chúng tôi — và cả các chính phủ nữa. Thực tế là có vẻ như người dân thế giới không muốn giảm bớt việc sử dụng thiết bị điện tử, AI, và tất cả những thứ đó.”

Các thùng chứa máy chủ dữ liệu chìm có thể giúp giảm thiểu diện tích đất, điện, và nước ngầm cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng từ các trung tâm dữ liệu, nhưng rốt cuộc, ngành dữ liệu toàn cầu vẫn sẽ cần một lượng điện lớn để thúc đẩy tăng trưởng, điều này sẽ tiếp tục gây căng thẳng cho lưới điện.