Startup muốn cung cấp năng lượng cho trung tâm dữ liệu bằng CO2 siêu tới hạn

Theo trang The Wired, American Supercritical, vừa công bố khoản vốn 8 triệu USD, đặt mục tiêu cải tiến các turbine khí mà nhiều trung tâm dữ liệu tại Mỹ đang sử dụng, giúp chúng tạo ra nhiều điện hơn từ cùng một lượng nhiên liệu.

“Chúng tôi muốn bắt đầu với các turbine khí, nhưng cuối cùng sẽ mở rộng sang các nguồn năng lượng khác”, Simon Shuham, đồng sáng lập American Supercritical, cho biết.

TẬN DỤNG NHIỆT THẢI TỪ NHỮNG TURBINE KÉM HIỆU QUẢ

Tại các nhà máy điện khí quy mô lớn ở Mỹ, cấu hình phổ biến là chu trình hỗn hợp. Trong hệ thống này, turbine đầu tiên tạo điện từ quá trình đốt khí tự nhiên và không khí nén. Phần khí thải nóng sau đó được tận dụng để tạo hơi nước, tiếp tục vận hành một hệ thống phát điện thứ hai.

Nhờ tận dụng nhiệt thải, các nhà máy chu trình hỗn hợp có thể chuyển khoảng 60-65% năng lượng đầu vào thành điện.

Tuy nhiên, nhiều trung tâm dữ liệu tại Mỹ lại lựa chọn turbine khí chu trình đơn (simple-cycle), trong đó không có hệ thống sử dụng hơi nước để thu hồi nhiệt. Cấu hình này có thể triển khai nhanh và đơn giản hơn, nhưng hiệu suất thấp hơn đáng kể.

Thông thường, chỉ khoảng 35% năng lượng từ turbine chu trình đơn được chuyển thành điện, trong khi phần còn lại thoát ra dưới dạng nhiệt và khí thải. Điều này khiến các hệ thống như vậy vừa tiêu tốn nhiều nhiên liệu hơn, vừa tạo ra lượng phát thải lớn hơn so với nhà máy chu trình hỗn hợp.

Quy mô ngày càng lớn của các trung tâm dữ liệu khiến vấn đề trở nên đáng chú ý. Một nhà máy điện sử dụng turbine chu trình đơn phục vụ một trung tâm dữ liệu lớn mà Amazon đang xây dựng tại Texas được cấp phép phát thải hơn 33 triệu tấn khí nhà kính mỗi năm.

American Supercritical cho rằng chính những turbine nhỏ, hiệu suất thấp này lại là đối tượng phù hợp để ứng dụng công nghệ CO2 siêu tới hạn.

CO2 chuyển sang trạng thái siêu tới hạn khi được đưa tới điều kiện nhiệt độ và áp suất nhất định. Khi đó, CO2 có mật độ tương tự chất lỏng nhưng vẫn có khả năng chuyển động như chất khí, cho phép truyền năng lượng với lượng thiết bị nhỏ hơn.

Thay vì sử dụng nhiệt từ khí thải để đun nước và tạo hơi nước, công nghệ của American Supercritical đưa nhiệt trực tiếp vào một hệ thống CO2 được nén áp suất cao. CO2 sau đó được sử dụng để tạo thêm điện.

“Về cơ bản, chúng tôi đang xây dựng những nhà máy chu trình hỗn hợp thu nhỏ”, Shuham nói.

KHÔNG TĂNG THÊM PHÁT THẢI, GIẢM NHU CẦU SỬ DỤNG NƯỚC

American Supercritical dự kiến ban đầu đưa ra thị trường các hệ thống công suất 10 MW, tương đối nhỏ so với quy mô của các nhà máy điện khí truyền thống.

Theo tính toán của startup, việc bổ sung hệ thống CO2 siêu tới hạn có thể giúp tăng hiệu suất của turbine khí lên tới 50%, trong khi không làm tăng thêm lượng phát thải khí nhà kính hoặc nhu cầu sử dụng nước.

Một lợi thế khác của công nghệ này là khả năng giảm đáng kể lượng nước cần thiết cho quá trình phát điện. Đây là vấn đề ngày càng được quan tâm khi các trung tâm dữ liệu mở rộng, bởi những cơ sở này không chỉ tiêu thụ lượng điện lớn mà còn cần nguồn nước cho các hệ thống làm mát và phát điện.

CO2 trong hệ thống của American Supercritical được vận hành theo một vòng tuần hoàn khép kín, nên không cần liên tục bổ sung CO2 mới.

Matthew Carlson, đồng sáng lập công ty và là người đã nghiên cứu CO2 siêu tới hạn trong hơn một thập kỷ, so sánh nguyên lý này với hệ thống làm lạnh sử dụng CO2 tuần hoàn để hỗ trợ quá trình làm mát.

Ý tưởng sử dụng CO2 siêu tới hạn trong phát điện không mới. Công nghệ này đã được các phòng thí nghiệm quốc gia của Mỹ nghiên cứu trong hơn 50 năm. Trong khoảng hai thập kỷ gần đây, nghiên cứu bắt đầu chuyển từ lý thuyết sang các ứng dụng thực tế, một phần nhờ những tiến bộ trong công nghệ nén và xử lý CO2.

Doug Hofer, cố vấn của American Supercritical và từng có hai thập kỷ làm kỹ sư turbine tại GE, cho rằng một trong những bước tiến quan trọng là sự phát triển của các bộ trao đổi nhiệt nhỏ gọn và có chi phí thấp hơn. Đây là thiết bị đóng vai trò truyền nhiệt để làm nóng hoặc làm mát CO2 trong hệ thống.

Tuy nhiên, công nghệ vẫn đối mặt với nhiều thách thức trước khi có thể được thương mại hóa trên diện rộng.

Subith Vasu, giáo sư kỹ thuật tại Đại học Central Florida, cho biết American Supercritical không phải công ty duy nhất tìm cách đưa công nghệ CO2 siêu tới hạn ra thị trường. Theo ông, ngoài các vấn đề kỹ thuật, các doanh nghiệp còn phải xây dựng đầy đủ hệ sinh thái linh kiện và chuỗi cung ứng.

“Mỗi khi bước vào một công nghệ mới, bạn cần có tất cả các thành phần liên quan và chuỗi cung ứng”, Vasu nói, đồng thời cho rằng chi phí vẫn là một vấn đề lớn.

Hofer nhận định sự chậm trễ trong việc thương mại hóa công nghệ này một phần xuất phát từ việc các doanh nghiệp lớn vẫn hài lòng với hiệu suất của các nhà máy điện truyền thống và không muốn đầu tư vào những công nghệ khác. Trong khi đó, các nhà sản xuất turbine cũng không có nhiều động lực để tài trợ cho những công nghệ có khả năng trở thành đối thủ.

“Đó chính là thế lưỡng nan của nhà đổi mới”, Hofer nói.

THỊ TRƯỜNG TRUNG TÂM DỮ LIỆU MỞ RA CƠ HỘI MỚI

Sự bùng nổ đầu tư vào trung tâm dữ liệu đang tạo ra một thị trường mới cho công nghệ CO2 siêu tới hạn.

Khoảng 7.000 tỷ USD dự kiến được đầu tư vào các trung tâm dữ liệu trên toàn cầu đến năm 2030, trong bối cảnh các công ty công nghệ tìm cách bổ sung nhanh công suất điện phục vụ sự phát triển của AI.

Nhu cầu điện tăng mạnh cũng khiến khả năng tận dụng các hệ thống phát điện hiện hữu trở thành một yếu tố quan trọng. American Supercritical muốn khai thác chính khoảng trống này bằng cách lắp thêm hệ thống CO2 siêu tới hạn vào các turbine khí đang vận hành.

Theo ông, mục tiêu của công ty là cải tạo các hệ thống hiện hữu, giúp khách hàng có thêm công suất để xây dựng các trung tâm dữ liệu mới hoặc giảm số lượng turbine khí cần sử dụng.

Dù vậy, công nghệ này không loại bỏ hoàn toàn phát thải carbon. Các turbine vẫn sử dụng khí tự nhiên và quá trình sản xuất, đốt khí tự nhiên tiếp tục góp phần làm nóng lên toàn cầu. Việc nâng hiệu suất chỉ giúp tạo ra nhiều điện hơn từ cùng một hệ thống, chứ không biến nguồn điện khí thành nguồn phát thải bằng không.

Đây cũng là điểm khác biệt giữa việc giảm cường độ phát thải của một hệ thống điện và loại bỏ hoàn toàn phát thải từ nhiên liệu hóa thạch.

Công nghệ CO2 siêu tới hạn cũng đang được thử nghiệm với nhiều nguồn năng lượng khác. Đầu năm nay, Trung Quốc công bố vận hành nhà máy địa nhiệt đầu tiên trên thế giới sử dụng CO2 siêu tới hạn.

Carlson cho biết trong quá trình nghiên cứu, ông từng làm việc với các ứng dụng CO2 siêu tới hạn trong lĩnh vực điện hạt nhân, địa nhiệt và năng lượng mặt trời.

American Supercritical cũng cho rằng các hệ thống của mình về lý thuyết có thể được chuyển đổi để sử dụng với các lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMR), một công nghệ đang nhận được sự hỗ trợ từ chính quyền Tổng thống Donald Trump. Startup cho biết đã ký thỏa thuận ban đầu với một công ty trong lĩnh vực này nhưng chưa công bố tên đối tác.

Về nguyên lý, công nghệ không phụ thuộc vào một nguồn nhiệt cụ thể. Chỉ cần có nguồn nhiệt đủ để vận hành chu trình, hệ thống CO2 siêu tới hạn có thể được sử dụng để chuyển nhiệt thành điện.