PEMODELAN SISTEM PROPULSI KAPAL PERIKANAN DENGAN HYBRID ENERGI

Transkripsi

1 PEMODELAN SISTEM PROPULSI KAPAL PERIKANAN DENGAN HYBRID ENERGI Andi Haris Muhammad 1, Rusydi Alwi1 2, Hasnawiya Hasan 3, Husni Sitepu4, Sabri Sapangallo 5 Universitas Hasanuddin Makassar Kontak Person: Andi Haris Muhammad Jl Perintis Kemerdekaan KM 10 Kampus UNHAS Tamalanrea Makassar, Telp: , Fax: , andi_haris@yahoo.com Abstrak Penelitian ini bertujuan untuk mengoptimalkan pengunaan bahan bakar pengoperasian kapal perikanan melalui teknologi sistem propulsi kombinasi antara motor diesel dan listrik. Secara sistematis metode perancangan sistem propulsi kombinasi dalam penelitian ini meliputi; i) Prediksi kecepatan dan daya, ii) Asumsi pembebanan propulsi (diesel dan elektrik), iii) Pemodelan sistem propulsi. Pemodelan sistem propulsi dikembangkan dengan mengunakan simulasi komputer berdasarkan persamaan gerak kapal. Persamaan matemetika yang meliputi persamaan terpisah komponen lambung, propeller dan motor propulsi didasarkan pada konsep MMG (Mathematical Modelling Group). Hasil analisis menunjukan bahwa penerapan sistem propulsi kombinasi motor diesel dan listrik pada kapal ikan sangat mengutungkan terhadap pengunaan bahan bakar, khususnya pengoperasian kapal dibawah 60% MCR. Kata kunci: Pemodelan, sistem, propulsi, hybrid, dan energi Pendahuluan Indonesia merupakan negara maritim dengan luas laut 2/3 dari total luas wilayahnya. Laut beserta hasil yang terkandung didalamnya akan dapat mensejahterakan rakyat jika dimanfaatkan secara optimal, namun sebaliknya laut dapat pula menjadi ancaman kehidupan manusia jika tidak dijaga kelestariannya. Dalam upaya mengoptimalkan sumber daya laut sebagaimana tertuang dalam Inpres No. 1 Tahun 2010 berkaitan dengan percepatan pelaksanaan prioritas pembangunan nasional bidang ketahanan pangan, laut dan lingkungannya merupakan sektor penyedia energi yang dapat dimanfaatkan seperti halnya energi angin, gelombang, arus dan matahari. Berkaitannya dengan penyedian listrik di kapal, Gorlov [1] telah menuliskan konsep ocean power farm melalui sejumlah turbin yang dibangunnya tersebut dapat menghasilkan sejumlah energi listrik yang dapat tersimpan pada baterai penyimpan yang tepasang dilaut. Sehingga melalui pengembangan konsep sistem propulsi kombinasi antara motor diesel dan listrik, energi listrik yang dihasilkan tersebut dapat digunakan semaksimal mungkin pada kapal. Sistem propulsi kombinasi antara diesel-listrik atau diesel (GODELOG) telah berkembang sejak awal abat ke-21 [2] tersebut diyakini banyak peneliti lebih efisien dibanding dengan kombinasi motor penggerak lainnya (semisal GODAD, GODAG, GODOG, dan CODELAG) [3]. Selain dapat mengurangi pengunaan bahan bakar, sistem propulsi GODELOG lebih murah dari segi perawatan, memiliki pengaturan sistem penggerak yang lebih fleksibel, pada kasus tertentu kapal tidak memerlukan gearbox, memiliki getaran serta tingkat kebisingan yang rendah, kemampuan manuver yang tinggi (khususnya pada azimuthing podded propulsion). Namun sistim propulsi kombinasi memiliki biaya inverstasi yang cukup tinggi dikarenakan adanya penambahan sejumlah komponen seperti diesel generator, transformer, dan motor listrik. Ditinjau dari sistem pengoperasian pengunaan sistem propulsi kapal dengan hybrid energi memiliki sejumlah keuntungan antara lain: i) propeller dapat di gerakan langsung melalui motor diesel layaknya sistem propulsi kapal konvensional; ii) propeller dapat digerakan langsung oleh motor listrik yang energinya bersumber dari baterai penyimpan, yang mana baterai penyimpan dihubungkan dengan diesel generator atau sumber lain sebagai pemasok energi listrik; iii) pada saat kondisi mesin utama (motor diesel) dioperasikan sebagai pengerak kapal namun daya yang dihasilkan melebihi daya yang SENTRA II - 7

2 diperlukan (semisal pada saat terjadi penurunan kecepatan kapal ataupun pengurangan beban), maka daya tersebut dapat tersimpan pada baterai penyimpan. Secara general sistem propulsi kombinasi motor diesel-elektrik memiliki sejumlah komponen utama antara lain: i) pengerak utama motor diesel, ii) set motor listrik dan generator, iii) sistem transmisi dan, iv) propeller sebagaimana Gambar 1. Kehilangan daya yang timbul (P losses ) dapat disebabkan sejumlah komponen antara generator dan motor listrik. Kurangnya energi yang distribusi tersebut dikarenanakan sistem kerja mekanik komponen ataupun dikarenakan kenaikan temperatur sistem, khususnya pada komponen elektrik dan pengurangan masing-masing komponen atau Electrical. Dapat ditentukan sebagaimana Tabel 1 [4 dan 5] Freq. converter Electric motor Switchboard Transformer Generator set Propeller Gear Box Diesel Engine Gambar 1 Komponen utama sistem propulsi hybrid dan sistem aliran sederhana sumber daya Tabel 1: Besaran efisiensi elektrik Typical values of electrical efficiencies Adnanes [4] B&W [5] Generator % Switchboard % Transformer % Frequency Converter % Electric Motor % Diesel engine shaft to electric propulsion motor shaft % Metode Penelitian Dalam perancangan sistem propulsi dengan hybrid energy, secara sistematis diperlukan tahapan analisis sebagai berikut: i) Tipe dan model operasi kapal, ii) Prediksi kecepatan - daya, iii) Asumsi pembebanan motor diesel dan listrik, iv) Pemodelan sistem propulsi. Tipe dan Model Operasi Kapal sampel yang digunakan dalam perancangan sistem propulsi kombinasi adalah kapal ikan Minajaya tipe longliner (L=43 m; B=8.4 m; T=3.2 m; Disp.= 812,5 Ton) dengan skenario pengoperasian sbb; i) Kondisi 1: Diasumsikan kapal menuju fishing ground dengan kecepatan dinas 11.8 knot, displasmen 812,5 ton dan kondisi kapal trim (T F = 2,44 m dan T A =3,75 m); ii) Kondisi 2: kapal diasumsikan meningalkan areal fishing ground kapal beroperasi dengan kecepatan dinas 11.8 knot, displasmen 775 ton dan kondisi kapal trim (T F = 1,97 m dan T A =3,91 m). iii) Kondisi 3: kapal diasumsikan meningalkan areal fishing ground kapal beroperasi dengan kecepatan 9.5 knot, displasmen 735,6 ton dan kondisi kapal trim (T F = 1,97 m dan T A =3,91 m). Kapal minajaya dilengkapi motor propulsi 1087 HP/1000 rpm dan propeller (D=1.96; A e /A o =60; P/D=0.9) serta rasio gearbox 1: 4.00 (250 rpm) pada kecepatan 11.8 knot dan 181 rpm pada kecepatan 9.5 knot. Prediksi Kecepatan - Daya Prediksi kecepatan dan daya kapal dikembangkan dengan mengunakan simulasi komputer berdasarkan persamaan gerak kapal. Persamaan matemetika yang meliputi persamaan terpisah komponen lambung, propeller dan mesin didasarkan konsep MMG (Mathematical Modelling Group). Prediksi gaya komponen lambung mengunakan Metode Holtrop [7&8]. Prediksi pembebanan propulsi diorientasikan pada tipe Wagerningen B-series yang dikembangan Kuiper [9] dan Carton [10]. Selanjutnya Penentuan Power (BHP) ditentukan dengan mengunakan konsep hull - propeller matching hubungan antara kapal dan pembebanan propeller yang dikembangkan Klein [11] dan Muhammad [12]. II - 8 SENTRA

3 Asumsi Pembebanan Motor Diesel dan Listrik Pengoperasian motor diesel, listrik atau kombinasi keduanya dapat dimodelkan perdasarkan beban operasi kapal. Sebagaimana model operasi kapal Minajaya, kapal dioperasikan pada 3 kondisi. Kondisi 1 (kapal diasumsikan menuju fishing ground dengan kecepatan service 11.8 knot) dan kondisi 2 (kapal diasumsikan meningalkan area fishing ground kapal beroperasi dengan kecepatan service 11.8 knot) didasarkan pada beban operasi kapal pada kondisi 1 dan 2 dapat mengunakan sistem propulsi kombinasi antara motor diesel (60%) dan listrik (40%) secara simultan, sedangkan untuk kondisi 3 (kapal diasumsikan meningalkan area fishing ground, dan kapal beroperasi dengan kecepatan service 9.5 knot) kapal dioperasikan hanya mengunakan motor diesel (60%). Pemodelan Sistem Propulsi Simulasi kecepatan dan daya kapal diprediksi berdasarkan persamaan gerak kapal. Persamaan matemetika yang meliputi persamaan komponen lambung, propeller dan mesin serta koefisien interaksi dari ketiganya. Kecepatan dan putaran propeller dan mesin disimulasi dengan mengunakan konsep Time domain Simulation sebagai fungsi diferensial terhadap gerak kapal dan torsi propeller dan mesin sebagaimana persamaan 1 dan 2 [9]. Selanjutnya melalui persamaan matematika dan koefisien hidrodinamika, sebuah program simualsi komputer kembangkan melalui program MATLAB-Simulink. Skematik model sistem propulsi kombinasi ditampilkan pada Gambar 2 dvs m TP R dan (1) S dt dn( t) 2J P QMD QME QP dt (2) Torsi dan gaya dorong propeler kapal sebgaimana persamaan 3 dan 4 dipredikisi dengan persamaan yang dikembangkan Kuiper [10]: T P = (1-t) K T(J) n 2 D 4 dan (3) Q P = (1-t) K Q(J) n 2 D 5 (4) Dimana K T dan K Q dapat dihitung dengan persamaan 5 dan 6 [11] sesuai dengan tipe propeller wageningen B-Series: T 47 n1 n Sn tn j P / D A A Un z Vn K C / dan (5) Q 39 n1 n Sn tn j P / D A A Un z Vn E E O K C / (6) O Torsi motor didefinisikan sebagai berbandingan antara daya motor terhadap putaran, umumnya torsi motor dinyatakan bersifat kontan, penambahan daya motor dapat diakibatkan karena penambahan putaran sebagaimana persamaan persamaan 7: P B =Q MD 2π n/60 (7) SENTRA II - 9

4 Tahanan kapal (kn) & Gaya dorong (kn) Seminar Teknologi dan Rekayasa (SENTRA) 2015 Motor Listrik QME Motor Diesel QMD Torsi Propeller Gaya dorong FProp FKapal Tahanan Kapal QProp 1 2I Putaran poros J 1 m Gerak Kapal n Va Vs (x) 1-w Gambar 2 Skematik model sistem propulsi kombinasi Hasil Penelitian dan Pembahasan Gambar 3 menampilkan hasil simulasi gaya dorong propeller yang diperlukan pengoperasian Kapal Ikan Minajaya antara pengunaan sistem propulsi konvensional (motor diesel) dan kombinasi (motor diesel dan listrik) pada daya maksimal (100%). Trend gaya dorong pada sistem propulsi kombinasi (garis merah) memiliki perbedaan trend yang signifikan dibanding trend gaya dorong pada sistem propulsi konvensional (garis biru). Perbedaan trend daya dorong tersebut terjadi pada kecepatan dibawah 5 knot dimana pada kondisi tersebut hanya motor diesel yang bekerja yaitu sebesar 60% daya maksimal atau propulsi bekerja pada kecepatan rps dan selanjutnya secara kombinasi diesel dan listrik dengan daya sebesar 100% secara simultan beroperasi hingga putaran maximum(4.0 rps). Seiring dengan terjadinya perbedaan gaya dorong pada kecepatan dibawah 5 knot tersebut hal menunjukan bahwa terjadi perbedaan pengunaan bahan bakar pada kedua sistem propulsi yang dianalisis. Sistem propulsi kombinasi lebih efisien dibanding sistem propulsi konvensional, khususnya untuk kapal ikan yang beroperasi dengan perubahan kecepatan Tahanan Kapal Gaya dorong Propeller (Mesin Diesel 100%) Gaya dorong propeller (Mesin Diesel 60% dan Listrik 40%) Kecepatan (Knots) Gambar 3 Karakteristik thrust dan speed Terkait dengan sistem propulsi kombinasi antara motor diesel dan listrik yang dikembangkan, energi listrik yang dihasilkan dari sejumlah generator yang terpasang pada kapal dapat pula dikombinasikan dengan sumber energi lain yang bersumber laut dan lingkungan diamana kapal dioperasikan seperti halnya energi angin, gelombang, arus dan matahari dalam bentuk energi listrik yang tersimpan pada baterai penyimpan sebagaimana konsep ocean power farm yang dikemukakan Gorlov [1]. Kesimpulan II - 10 SENTRA

5 Pemodelana sistem propulsi kombinasi antara motor diesel dan listrik telah dianalisis dengan Matlab Simulink. Trend daya dorong pada kedua model sistem yang dianalisis tesebut telah dibandingkan dengan kesimpulan: Melalui konsep time domain simulation perporma sistem propulsi kombinasi antara motor diesel dan listrik dapat disimulasi. Pengunaan sistem propulsi kombinasi antara motor diesel dan listrik sangat sesuai untuk pengoperasian kapal ikan dengan perubahan kecepatan. Pada kecepatan rendah sistem propulsi kombinasi lebih menguntungkan terhadap penggunaan bahan bakar dibanding sistem propulsi konvensional. Propulsi kombinasi yang dikembangkan dalam penelitian ini dapat dikombinasikan dengan sumber energi listrik lain semisal energi angin, gelombang, arus dan matahari dalam bentuk energi listrik yang tersimpan pada baterai penyimpan. Ucapan Terima Kasih Penulis mengucapkan terima kasih kepada Lembaga Penelitian dan Pengabdian pada Masyarakat (LP2M) Universitas Hasanuddin atas pendanaan yang diberikan dalam penelitian ini. Terima kasih pula khususnya kepada laboran dan mahasiswa yang tergabung dalam kelompok penelitian bersama pada LBE (Labo Based Education) Propulsi Kapal Universitas Hasanuddin yang telah membantu selama proses pemodelan dan simulasi komputer. Daftar Notasi L : panjang kapal B : lebar kapal T : sarat kapal T F : sarat kapal bagian haluan T A : sarat kapal bagian buritan D : diameter propeller A e /A o :rasio luas daun propeller P/D : rasio langkah maju propeller Disp : Displasmen Kapal m : massa kapal jumlah data V S : kecepatan kapal T P : gaya dorong kapal R S : tahanan kapal J P : momen Inersia polar Q E : torsi mesin Q P : torsi propeller n : putaran poros Referensi [1] Gorlov, A. M. Helical turbines for the Gulf Stream, Marine Technologi. 1998, 35(3) pp [2] Kwasieckyj, B. Hybrid Propulsion System - Efficiency analisys and design methodology of hybrid propulsion systems, Master Thesis TU Delft :Netherland, 2013 [3] Oberhokamp, F. Diesel-electric propulsion concepts How to match environmental and economical challenges, 2007 [4] Adnanes, A. K. (2003). Maritime Electrical Installations and Diesel Electric Propulsion, ABB AS Marine [5] B&W, M., Diesel Electric Drives. Diesel-Electric Propulsion Plant [6] Ogawa, A. and Kansai, H., (1987), On the Mathematical Model of Manoeuvring Motion of Ship, Journal of International Shipbuilding Progress. 1987, 25( 292) pp [7] Holtrop, J. and Mennen G.G.J. An Approximate Power Predition Method, Journal of International Shipbuilding Progress, 1982, 29(335) pp [8] Holtrop, J. A Statistical Re-analysis of Resistance and Propulsion Data, Journal of International Shipbuilding Progress, 1984, Vol 31(363) pp SENTRA II - 11

6 [9] Viviani, M., Altosole, M., Cerruti, M., Menna, A., and Dubbioso, G. Marine Propulsion System Dynamics During Ship Manoeuvers. 6th International Conference On High-Performance Marine Vehicles (Hiper 2008), 18/19/09/2008 Naples, ISBN: , p [10] Kuiper, G. The Wageningen Propeller Series, MARIN, Netherlands [11] Carton., J.S,. Marine Propellers and Propulsion. Butterworth-Heinemann Ltd. London [12] Klein, W.J.. Matching Ship, Propeller and Prime Mover, Regional Maritime Comference Indonesia, The Association of Indonesia Maritime Engineers (HATMI), Jakarta [13] Muhammad,A.H. Utama, I.K.A.P. and Adji, S.W. A Design Study Into the Hull and Propulsion System Matching of 'Minajaya' Fishing Vessel With Chine and Round Bilge Hull Form, Indonesia Journal of Marine Technology Research. 2001, 1(3), ITS Indonesia. II - 12 SENTRA