BAB I PENDAHULUAN Pada Bab Pendahuluan ini akan dipaparkan mengenai latar belakang permasalahan, rumusan masalah, tujuan dari pelaksanaan Tugas Akhir, batasan masalah, metodologi yang digunakan, dan sistematika penulisan Tugas Akhir ini. 1.1 Latar Belakang Tingkat kebutuhan tehadap ketersediaan wahana transportasi pada saat ini mengalami peningkatan yang cukup signifikan. Hal ini didasarkan atas pertumbuhan populasi serta peningkatan mobilitas perpindahan manusia, terutama pada lingkungan sentral aktivitas manusia (perkotaan). Fakta ini menimbulkan dampak langsung maupun tak langsung terhadap usaha pelestarian lingkungan. Tidak dapat dipungkiri lagi bahwa seiring dengan bertambahnya jumlah wahana transportasi maka persediaan sumber daya alam untuk bahan bakar, terutama bahan bakar cair (gasoline and liquid gas), akan semakin menipis. Di lain pihak, potensi akan dampak negatif akibat emisi gas buangan terhadap lingkungan akan semakin merugikan baik bagi manusia maupun terhadap kondisi atmosfir bumi. Berdasarkan dua butir di atas, diperlukan suatu penelitian ilmiah yang mampu meminimalisir dampak negatif dan menghasilkan solusi dari permasalahan yang bisa ditimbulkan oleh bertambahnya jumlah wahana transportasi tersebut, tentunya dengan tidak mengesampingkan aspek kenyamanan konsumen dalam berkendara serta peningkatan performa wahana transportasi tersebut. Salah satu cara untuk mencapai tujuan tersebut adalah dengan memanfaatkan teknologi hybrid dalam sistem propulsi wahana terbang. Berkembangnya penelitian terhadap wahana terbang Unmanned Aerial Vehicle (UAV) dewasa ini juga merupakan salah satu aspek yang menjadi bahan pertimbangan bagi penulis dalam menyusun Tugas Akhir ini, dimana penggunaan serta kebutuhan spesifikasi dari UAV semakin meningkat dari masa ke masa. Usaha peningkatan performa UAV dipandang dari aspek sistem propulsinya dengan penerapan teknologi hybrid merupakan suatu bahasan yang akan coba diulas oleh penulis dalam Tugas Akhir 1
ini. Definisi dan hal-hal lain yang menyangkut penjabaran teknologi ini yang berkaitan dengan Tugas Akhir ini akan dijelaskan pada sub-bab selanjutnya. 1.2 Sistem Propulsi Hybrid Sistem propulsi adalah nyawa dari semua wahana transportasi. Sistem Hybrid (hybrid system) adalah salah satu terobosan inovasi terbaru dalam bidang industri otomotif, lebih spesifiknya dalam sistem propulsi otomotif. Dalam definisinya sebagai kombinasi dari dua jenis perangkat yang memiliki perbedaan mekanisme kerja dalam suatu sistem tunggal untuk menghasilkan suatu keluaran yang diinginkan (desireable output) yang pada dasarnya sejenis dan atau memiliki fungsi yang sama (ref. [4]). Teknologi ini memiliki kemampuan untuk dapat di implementasikan pada sistem kereta daya penggerak (powertrain) bagi kendaraan. Sebagai penunjang sekaligus back-up system dari mesin motor bakar internal (Internal Combustion Engine) yang memanfaatkan bahan bakar cair (misalnya gasoline) sebagai sumber energi pada kereta daya utama penggerak kendaraan, konsep sistem hybrid ini diaplikasikan dalam bentuk kombinasinya dengan motor listrik dengan energi kimia dari baterai sebagai sumber energinya. Pada dasarnya, motor listrik ini juga memiliki kemampuan untuk menjadi kereta daya penggerak tunggal untuk menghasilkan gaya dorong yang dibutuhkan oleh kendaraan dimana sumber energinya dari motor listrik tersebut. Tidak seperti mesin motor bakar internal, tenaga dari motor listrik ini dapat disimpan dan juga diperbaharui atau diisi ulang (recharge) langsung di dalam sistem tersebut yang merupakan satu kesatuan pada sistem propulsi kendaraan tersebut. Konversi energi, proses transmisi dan sistem penyimpanan energi (energy storage) adalah beberapa hal utama yang mutlak mendapat perhatian khusus dalam konsep rancangan sistem mesin hybrid ini. Pada prinsipnya, terdapat dua tipe desain arsitektur dari sistem hybrid, yaitu: paralel dan seri. Kedua tipe ini memiliki perbedaan yang nyata pada konfigurasi mekaniknya. Pada parallel hybrid system, mesin motor bakar internal menghasilkan tenaga mekanik untuk putaran yang secara paralel juga menghasilkan suplai daya untuk membangkitkan tenaga listrik pada motor. Pada series hybrid system, mesin motor bakar internal pertama-tama harus meng-
generate elektrisitas yang kemudian dikonversikan menjadi tenaga putaran melalui motor listrik. 1.1.1 Parallel Hybrid System Pada parallel hybrid system, propulsi kendaraan dihasilkan oleh mesin maupun baterai, atau oleh keduanya pada saat yang bersamaan. Generator mesin (enginegenerator) meng-kombinasikan kerja secara paralel dengan baterai dan juga menyediakan tenaga listrik agar baterai tetap dalam keadaan terisi (charged). Selama start-up dan akselerasi, transmisi elektrik meng-akselerasikan kendaraan, sedangkan ketika kendaraan mencapai kecepatan cruise, sistem paralel menggabungkan tenaga dari mesin motor bakar internal dan motor listrik untuk mempertahankan kecepatan. Pada kecepatan jalan raya (highway speed), mesin diesel menghasilkan tenaga dan juga menyediakan suplai tenaga untuk mengisi (charging) sistem penyimpanan tenaga. (ref. [9]). Parallel hybrid system menggunakan transmisi variabel berlanjut (continuously variable transmission/cvt). Baterai-baterai penyimpanan energi terbuat dari bahan nickel metal hydride (NiMH), dimana baterai jenis ini tidak memerlukan perawatan baterai sepanjang malam. Sistem ini dapat mencapai kecepatan maksimum sampai 105 km/jam pada aplikasinya pada kendaraan otomotif. Sistem paralel ini tidak dapat dikonversikan untuk kebutuhan mesin lainnya, seperti turbin atau fuel cells. Sistem paralel ini memerlukan mesin motor bakar internal yang lebih besar daripada yang dibutuhkan pada series hybrid system. Gambar 1. Parallel hybrid system (ref. [9])
1.1.2 Series Hybrid System Pada aplikasi sistem hybrid seri, propulsi disediakan oleh motor elektrik. Elektrisitas yang dibutuhkan motor dibangkitkan oleh mesin motor bakar internal kecil dan baterai. Sistem seri ini adalah yang paling efisien untuk lingkungan kerja dengan frekwensi stop dan go yang tinggi karena motor elektrik memiliki torsi yang tinggi pada kecepatan rendah, mulus, dan akselerasi yang cepat. Sistem propulsi untuk aplikasi sistem hybrid seri cukup sederhana secara mekanik, dengan sejumlah kecil komponen yang bergerak, dan sebuah komponen reduksi roda gigi yang tetap (single fixed gear reduction). Sistem ini tidak menggunakan komponen transmisi tradisional/konvensional (ref. [9]). Series hybrid system juga dapat dikonversikan menjadi fungsi kereta/mesin penggerak (powertrain) lainnya, seperti turbin atau fuel cell. Sistem-sistem mesin penggerak lain ini akan lebih dapat diandalkan dan lebih ekonomis nantinya sehingga proses konversi di kemudian hari merupakan kelebihan dari sistem ini. Mesin motor bakar internal pada sistem hybrid seri memiliki ukuran yang lebih kecil daripada yang digunakan pada sistem paralel, konsekuensinya adalah pada konsumsi bahan bakar (fuel consumption) yang lebih efisien serta emisi gas sisa yang lebih kecil daripada sistem hybrid paralel. Namun sistem seri ini tidak dapat menghasilkan tenaga (power) sebesar tenaga yang dapat dihasilkan oleh sistem paralel sehingga tidak dapat diaplikasikan pada kendaraan berat dan atau besar (misalnya Bus) karena berarti tarikan daya dari baterai- baterai yang diperlukan akan lebih besar. Gambar 2. Series hybrid system (ref. [9])
Gambar 1 menunjukan skema salah satu tipe dari parallel hybrid system. Gambar 2 menunjukkan skema dari series hybrid system. Kedua gambar menunjukkan sistem elektrik lengkap dengan variasi sistem kontrol tempel (embedded control systems). Dapat dilihat dari kedua gambar diatas, dibutuhkan sejumlah sistem kendali tempel agar suatu kendaraan hybrid dapat beroperasi dengan baik. Seluruh kendali-kendali ini biasanya saling berhubungan satu sama lain melalui suatu high-speed controller area network (CAN) bus. Pusat kendali di setiap sistem penggerak ini berfungsi mengendalikan setiap bagian/komponen di sistem mereka dan juga berkoordinasi dengan sistem kendali-kendali lain secara real time. Hal ini memerlukan penelaahan desain yang sangat luas serta pembangunan algoritma kendali dan software baru, walaupun untuk sistem kendali yang sudah cukup memadai, seperti sistem kendali mesin, transmisi, dan antilock braking systems. Aerospace engineering adalah suatu bidang ilmu pengetahuan yang memiliki hubungan yang cukup erat dengan mechanical engineering, terutama dalam sistem propulsi yang tidak lain merupakan sistem vital pada kendaraan (vehicle), baik itu kendaraan bermotor maupun wahana terbang. Beberapa kesamaan yang dimiliki oleh kedua bidang tersebut dalam sistem propulsinya memungkinkan dilakukannya adopsi teknologi (technology adoption) antar keduanya untuk meningkatkan performa maupun meminimalisir kelemahan dalam sistem propulsi masing-masing bidang (otomotif-aerospace). Teknologi sistem hybrid pada sistem propulsi ini telah lama diteliti dan juga mulai di-eksperimenkan bahkan diproduksi dalam bidang otomotif semenjak dua dekade terakhir. Ini menjadi tantangan bagi para peneliti dan aerospace engineers untuk mampu menerapkan konsep yang sama bagi sistem propulsi untuk pesawat udara ataupun aerospace vehicle lainnya (rocket, sattelite, helicopter, missile, etc.). Bukan hanya sematamata untuk bersaing dengan perkembangan teknologi pada bidang otomotif, namun sistem mesin hybrid ini memiliki potensi yang tinggi untuk membawa beragam manfaat dalam bentuk peningkatan performa produk secara keseluruhan dan juga bagi penggunanya, baik dalam aplikasinya pada bidang otomotif maupun bidang aerospace.
Beberapa kelebihan yang dapat ditawarkan oleh aplikasi sistem propulsi hybrid dalam bidang aerospace engineering antara lain adalah : Power yang tersedia lebih besar. Efisiensi mesin/energi yang lebih tinggi. Efisiensi bahan bakar yang lebih tinggi. Penyetelan mesin/gaya dorong yang lebih mudah. Peningkatan prestasi. Sumber energi alternatif. Mengurangi emisi gas buang/polusi udara. 1.3 Rumusan Masalah Masalah yang menjadi inti dari Tugas Akhir ini adalah pengembangan konsep rancangan sistem propulsi wahana udara yang merupakan penerapan dari teknologi sistem hybrid. 1.4 Tujuan Tujuan dari tema yang diangkat pada Tugas Akhir ini adalah melakukan analisa terhadap kemungkinan penerapan sistem propulsi hybrid ini pada wahana transportasi udara berikut hambatan serta keuntungan yang dihasilkan dari penerapan sistem hybrid ini khususnya dari aspek konsumsi bahan bakar dan performa wahana keseluruhan dibandingkan dengan sistem-sistem propulsi konvensional yang telah digunakan sebelumnya.. Pada Tugas Akhir ini, wahana yang digunakan diwakili oleh wahana terbang Unmanned Aerial Vehicles (UAV). Hasil analisis yang akan diharapkan akan didapatkan mengacu pada kombinasi perhitungan suplai daya dari mesin bakar internal (sistem propulsi konvensional) dan dari motor listrik. Selain itu, pemilihan konsep konfigurasi sistem yang dihasilkan diharapkan dapat menjadi langkah awal dalam proses eksperimental bagi sistem hybrid untuk wahana terbang di kemudian hari.
1.5 Batasan Masalah Sebagai tahap awal dari suatu proses perancangan, sistem propulsi hybrid yang akan coba diuraikan pada Tugas Akhir ini hanya pada sebatas konsep rancangan. Konsep rancangan yang akan coba dibuat hanya mengacu pada kondisi terbang jelajah (cruise) dengan menggunakan beberapa parameter konfigurasi wahana terbang UAV yang diasumsikan melalui studi literasi beberapa data UAV yang ada sebagai wahana yang dipilih untuk objek pengaplikasian sistem propulsi ini. 1.6 Metodologi Metedologi yang digunakan pada penulisan Tugas Akhir ini adalah suatu studi data referensi yang didapat penulis mengenai dasar-dasar dari sistem propulsi mesin piston dan dasar-sistem hybrid didapat dari internet. Penulis juga melakukan suatu studi komparasi melalui penelitian selama beberapa waktu di PT. Toyota-Astra Motor sebagai salah satu industri otomotif yang telah menerapkan sistem propulsi hybrid melalui salah satu produknya yaitu Toyota Prius. Metode perhitungan dilakukan berdasarkan persamaan-persamaan yang korelatif dengan persamaan-persamaan yang ada untuk menghitung performa dari sistem propulsi pada wahana terbang. Persamaan-persamaan kelistrikan didapatkan dari sumber-sumber referensi yang telah terbukti untuk menghitung pengaruh dari penerapan sistem motor listrik pada sitem propulsi keseluruhan. 1.7 Sistematika Penulisan Sistematika penulisan Laporan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut : BAB I Pendahuluan Pada bagian ini berisi tentang uraian dan gambaran singkat Tugas Akhir ini. BAB II Konsep Rancangan Sistem Propulsi Hybrid Pada bagian ini berisi tentang pengenalan teori dasar dari sistem propulsi hybrid dan lagkah-langkah konsep desain serta Design Requirements and Objectives dari sistem propulsi yang akan dibuat. BAB III Perancangan Sistem Propulsi Hybrid Pada bagian ini berisi tentang perancangan sistem propulsi hybrid yang diterapkan
pada sistem propulsi UAV. BAB IV Analisis Hasil Rancangan Pada bagian ini berisi tentang analisis pengaruh dari konsep rancangan terhadap prestasi sistem propulsi keseluruhan. BAB V Penutup Pada bagian ini berisi saran penulis serta kesimpulan dari seluruh bagian pelaksanaan Tugas Akhir ini.