0088: Totok Yulianto dkk. TR-87 RANCANG BANGUN KAPAL HYBRID TRIMARAN YANG HANDAL DAN EFISIEN Totok Yulianto 1, Suntoyo 2, Eddy Setyo Koenhardono 3, dan Novie Ayub 4 1 Staf Teknik Perkapalan FT. Kelautan ITS Surabaya Indonesia 2 Staf Teknik Kelautan FT. Kelautan ITS Surabaya Indonesia 3 Staf Teknik Sistem Perkapalan FT. Kelautan ITS Surabaya Indonesia 4 Staf Teknik Listrik Industri (Power) Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Surabaya Indonesia Disajikan 29-30 Nop 2012 ABSTRAK Makalah ini bertujuan untuk mempresentasikan sistem propulsi hybrid pada kapal trimaran. Perancangan system propulsi hybrid dimulai dengan penentuan tahanan kapal trimaran serta stabilitas yang baik untuk kapal trimaran. Penentuan tahanan dilakukan dengan percobaan di tangki uji tarik (towing tank). Stabilitas kapal ditentukan berdasarkan metode integrator. Optimalisasi sel surya menggunakan metode MPPT(maximum power point tracker). Berdasarkan tahanan, stabilitas dan optimalisasi sel surya dirancang system propulsi hybrid kapal trimaran tersebut. Perancangan system propulsi hybrid melalui kombinasi sistem tenaga surya, dan mesin berbahan bakar. Kata Kunci: Kapal trimaran, tahanan, stabilitas, MPPT, system hibrid I. PENDAHULUAN Pengembangan sarana transportasi laut yang cepat, aman dan nyaman menjadi sebuah tuntutan yang tidak bisa dihindari. Tuntutan ini menjadi salah faktor terjadinya pengembangan bentuk kapal-kapal yang tidak konvensional, misalnya kapal trimaran. Awal pengembangan kapal trimaran adalah pengembangan bentuk lambung yang dibuat ramping (slender body), agar bisa cepat dan memiliki hambatan yang rendah. Bentuk yang ramping berakibat pada stabilitas yang rendah, sehingga diperlukan lambung tambahan di samping lambung utama. Keunggulan kapal trimaran dibandingkan kapal monohull adalah dalam hal kemampuan bermanuver, geladak yang luas, stabilitas yang lebih baik maupun gerak rolling yang lebih kecil. [1 3] Kapal trimaran memiliki dua sistem pembangkit daya, yaitu sistem propulsi dan sistem pembangkit daya listrik. Sistem propulsi memiliki fungsi untuk menghasilkan sejumlah daya yang mampu menggerakan kapal pada kecepatan dinasnya. Sedangkan sistem pembangkit daya listrik berfungsi untuk memenuhi kebutuhan daya listrik yaitu pompa, kompresor, peralatan navigasi dan komunikasi. GAMBAR 1 memperlihatkan diagram alir energi pada kapal hybrid trimaran yang direncanakan. Sistem propulsi hybrid adalah sistem propulsi yang menggunakan dua atau lebih sumber energi atau tenaga penggerak yang berbeda untuk menggerakkan kapal. Kapal trimaran direncanakan menggunakan dua jenis penggerak yang berbeda, yaitu mesin/motor diesel pada lambung utama kapal dan dua motor listrik pada lambung samping kapal yang saling tidak tergantung. Motor diesel menggunakan sumber energi yang berasal dari energi fosil, sedangkan motor listrik menggunakan sumber energy yang bisa berasal dari baterai dan energi matahari. Mode operasional dari sistem propulsi hybrid adalah : Mode mekanis, kapal digerakkan oleh motor GAMBAR 1: Sistem propulsi hybrid kapal trimaran.
TR-88 0088: Totok Yulianto dkk. diesel yang menggerakkan propeller utama di mainhull sedangkan kebutuhan daya listrik diperoleh dari baterei dan sel surya. Mode elektris, kapal digerakkan oleh kedua motor listrik arus searah, sedangkan motor diesel pada posisi off. Kedua motor listrik dan beban-beban listrik memperoleh daya listrik dari batterey dan sel surya. Mode generator, kapal digerakkan oleh motor diesel yang juga menghasilkan listrik melalui dinamo yang terkoneksi melalui rantai atau belt. Daya listrik arus searah yang dihasilkan oleh dynamo dipergunakan untuk memenuhi seluruh kebutuhan listrik di kapal dan pengisian batterey. Mode hybrid, kapal digerakkan oleh propeller yang digerakkan oleh motor diesel dan kedua propeller yang digerakkan oleh motor listrik. Kebutuhan daya listrik, baik untuk peralatan listrik di kapal dan kedua motor listrik DC, disuplai dari baterei dan sel surya. Berdasarkan mode operasional di atas, maka perencanaan sistem propulsi hybrid pada kapal trimaran harus dilaksanakan secara terpadu antara kebutuhan daya untuk sistem propulsi dan kebutuhan daya listrik oleh peralatan-peralatan listrik yang ada di kapal, serta luas geladak kapal trimaran. II. METODOLOGI Pada GAMBAR 2 berikut ini, merupakan alur perancangan system hybrid pada kapal trimaran, Perancangan sistem propulsi hybrid dimulai dengan menentukan tahanan kapal. Dari tahanan kapal yang diperoleh dapat dipakai untuk menentukan daya dorong kapal. Daya dorong yang dipakai, digunakan untuk mendorong kapal dengan kecepatan yang diinginkan. Kebutuhan daya dorong disediakan oleh mesin diesel, baterai dan sel surya. Mesin diesel dioperasikan pada kapal trimaran untuk kecepatan sekitar 4-15 knots, sedangkan baterai yang disuplai dari sel surya dan mesin diesel dipakai untuk mengoperasikan kapal pada kecepatan rendah yaitu 0-3 knots. Berdasarkan mode operasional di atas, maka perencanaan sistem propulsi hybrid pada kapal trimaran harus dilaksanakan secara terpadu antara kebutuhan daya untuk sistem propulsi dan kebutuhan daya listrik oleh peralatan-peralatan listrik yang ada di kapal, serta luas geladak kapal trimaran. Pada makalah ini, dijelaskan data kapal trimaran yang digunakan untuk penerapan system propulsi hybrid. Tabel 1, menunjukkan dimensi utama kapal trimaran dan displasemennya. Rasio displasemen demihulls dan mainhull berkisar 30%. GAMBAR 2: Skesta Metodologi Penelitian Percobaan tahanan kapal trimaran dilakukan untuk mengetahui tahanan kapal trimaran yang minimum untuk berbagai variasi posisi, baik variasi posisi ke samping (clearance) maupun variasi posisi ke depan (stagger). Konfigurasi variasi posisi diperlihatkan pada GAMBAR 3. Variasi Posisi ke samping (clearance) dan variasi posisi ke depan (staggers) ditabulasikan pada TABEL 1: Data Kapal Trimaran
0088: Totok Yulianto dkk. TR-89 tabel 2. Posisi ke samping B1 menunjukkan 1 lebar B mainhull, B2 adalah 1.5 lebar B mainhull, sedangkan posisi ke depan menunjukkan S1 demihulls adalah 10%Lwl ke depan, S0 sidehulls adalah 0%Lwl sejajar dengan mainhull, S-1 demihulls adalah 10%Lwl di belakang mainhull. Pada GAMBAR 4, ditunjukkan rencana umum kapal trimaran. GAMBAR 3, menunjukkan rencana umum kapal trimaran. Berdasarkan gambar ini juga dilakukan analisa stabilitas kapal trimaran untuk variasi jarak titik berat kapal terhadap titik tekan kapal. GAMBAR 4: Tahanan Kapal Trimaran untuk variasi posisi B1- S0, B2-S0,B1-S1, B2-S1 dan B2-S-1 GAMBAR 3: Rencana Umum Kapal Trimaran GAMBAR 5: Tahanan Kapal Trimaran untuk variasi posisi B2- S0,B2-S0 foil 1, B2-S0 foil 2 III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Tahanan GAMBAR 4 dan GAMBAR 5, menunjukkan hasil percobaan tahanan dan power yang dihasilkan oleh kapal trimaran untuk semua variasi posisi. Dari grafik tersebut memperlihatkan bahwa variasi posisi Kapal Trimaran B2-S0 memberikan tahanan yang paling kecil dibanding variasi posisi yang lain, sehingga power yang dibutuhkan untuk mendorong kapal lebih efisien. GAMBAR 6 dan GAMBAR 7, menunjukkan hasil percobaan tahanan dan power yang dihasilkan oleh kapal trimaran untuk B2-S0, foil 1 dan foil 2. Dari grafik tersebut memperlihatkan bahwa kapal trimaran dengan tambahan foil 1 dan foil 2 memberikan tahanan yang lebih kecil dibanding tanpa foil, sehingga power yang dibutuhkan untuk mendorong kapal lebih kecil dan efisien. Pada kecepatan 15 knot kapal trimaran de- TABEL 2: Variasi Posisi Posisi ke samping Posisi ke depan B1 B2 S1 B1-S1 B2-S1 S0 B1-S0 B2-S0 S-1 B1-S-1 B2-S-1 GAMBAR 6: Power (EHP) Kapal Trimaran untuk variasi posisi B1- S0, B2-S0,B1-S1, B2-S1 dan B2-S-1 ngan foil 2 memberikan tahanan yang cenderung lebih kecil dibanding kapal trimaran dengan foil, seperti terlihat pada TABEL 1. Dengan demikian kebutuhan bahan bakar kapal trimaran dengan foil 2, akan lebih kecil dibanding kapal trimaran dengan foil 1. B. Stabilitas Dari variasi titik berat yang bekerja pada kapal trimaran terlihat bahwa ketinggian KG sampai 400%KB (KB=0,35 m), yaitu 1,75 m, masih memberikan lengan stabilitas kapal yang baik, seperti terlihat pada GAM-
TR-90 0088: Totok Yulianto dkk. GAMBAR 7: Power (EHP) Kapal Trimaran untuk variasi posisi B2-S0,B2-S0 foil 1, B2-S0 foil 2 BAR 7 dan TABEL 2. Berdasarkan kriteria yang diberikan oleh HSC (High Small Craft) 2000, [1] pada variasi KG 500%KB, stabilitas kapal trimaran dianggap gagal (fail), seperti terlihat pada TABEL 3. TABEL 3: tanpa foil Data hasil percobaan kapal trimaran dengan foil dan GAMBAR 8: Lengan Stabilitas kapal Trimaran C. Perhitungan Kebutuhan Daya Propulsi Berdasarkan data hasil percobaan tahanan kapal trimaran yang optimal dari variasi posisi ke samping (clearance) dan variasi ke depan (stagger) serta ditambahkan foil untuk menambah gaya angkat pada kapal trimaran sehingga dapat memperkecil tahanan kapal, seperti ditampilkan pada GAMBAR 6 dan GAM- BAR 7. Berdasarkan grafik power-speed di atas, maka dapat diperoleh kebutuhan kapasitas daya untuk sistem propulsi : Kecepatan kapal 3 knot menggunakan sistem propulsi elektris atau transmisi elektris dibutuhkan daya sebesar 6.35kW, sehingga dipilih dua motor DC dengan daya 4 HP. TABEL 4: Lengan stabilitas kapal trimaran TABEL 5: Kriteria Penentuan stabilitas kapal trimaran berdasarkan HSC 2000 [1] Kecepatan kapal 15 knot direncanakan menggunakan sistem propulsi mekanis atau transmisi mekanis dibutuhkan daya 53,56 kw, sehingga dipilih motor diesel 75 HP. C-1. Analisa Perencanaan Sel Surya Sel surya dapat difungsikan sebagai sumber energy penggerak motor DC dan pengisian baterai. Karakteristik daya keluaran sel surya dipengaruhi oleh radiasi sinar matahari dan temperatur permukaan sel surya, diperlukan sebuah algoritma untuk mencari titik daya maksimum (MPP) dan menjaga pada titik kerja tersebut. Dengan menggunakan algoritma MPPT maka sistem dapat menyalurkan daya maksimal dari sel surya ke beban. Hasil pengujian sel surya dengan data parameter pada TABEL 4 pada pukul 10.00 WIB dan 15.30 WIB ditunjukkan pada GAMBAR 8. Berdasarkan hasil pengujian penggunaan algoritma MPPT dan tanpa MPPT, menunjukkan bahwa penerapan algoritma MPPT dapat mengoptimalkan daya (daya maksimum) yang dihasilkan sel surya sesuai besarnya insolasi matahari yang berubah terhadap waktu, seperti terlihat pada GAM- BAR 9. Berdasarkan hasil percobaan tersebut, maka daya yang dapat dihasilkan oleh sel surya adalah 80
0088: Totok Yulianto dkk. TR-91 TABEL 6: Parameter panel surya. Maximum Power (PM) 50 W Open Circuit Voltage 21.6 V Short Circuit Current (I sc ) 3.04 A Maksimum Power Voltage (V mp ) 17.6 V Maksimum Power Current (I mp ) 2.84 A GAMBAR 9: Pengujian sel surya [4] IV. KESIMPULAN Komponen-komponen sistem propulsi hybrid pada kapal trimaran terdiri dari : Motor penggerak utama adalah motor diesel dengan daya 75 HP, motor ini berada di mainhull. Motor diesel ini dapat menggerakkan propeller dan dynamo untuk menghasilkan daya listrik. Dua motor arus searah yang memiliki daya masing-masing 4 HP, penempatannya pada demihull Kapasitas dynamo yang diperlukan adalah 10 kva DAFTAR PUSTAKA [1] Deakin, B (2005), An Experimental Evaluation of the Stability Criteria of the HSC Code, International Conference on Fast Sea Transportation, FAST 2005, June 2005, St Petersburg, Rusia. [2] Dubrovsky, V (2004), Ships with Outriggers, Backbone Publishing Company, Fair Lawn, USA. [3] Dubrovsky, V. and Lyakhovitsky A. (2001), Multi- Hull Ships, Backbone Publishing Company, Fair Lawn, USA. [4] Anizar Rizky dan Dwiky Alif S., Maximum Power Point Tracker untuk Panel Surya Statis Dengan Metode Hill Climbing, Buku Laporan Proyek Akhir PENS, 2012. GAMBAR 10: Pengujian MPPT dengan resistansi 36,9 Ohm [4] Trimaran watt/m 2. Apabila luas permukaan atap kapal trimaran 25 m 2, maka daya yang bisa dihasilkan adalah 2000 watt. C-2. Analisa Perencanaan System Hybrid Sesuai hasil analisa sel surya di atas, daya yang dihasilkan sel surya hanya 2 kw, sedangkan kebutuhan daya untuk motor mencapai 6,35 kw. Kondisi ini membuat system hybrid antara sel surya dan baterai sebagai sumber energy bagi motor listrik tidak memungkinkan, karena kebutuhan baterai yang besar, sehingga berdampak pada berat baterai tinggi. Oleh karena itu, hybridisasinya menggunakan dynamo dan sel surya. Daya listrik yang disuplai dari dynamo sebesar 4,35 kw dan sel surya 2 kw untuk menggerakkan motor listrik.