PROPOSAL
PENELITIAN PENGEMBANGAN PROTOTIPE
(PenPro)
DANA ITS TAHUN 2020
RANCANG BANGUN PROTOTIPE
DESAIN DAN KENDALI SISTEM PROPULSI HYBRID
PADA KAPAL PATROLI TRIMARAN DALAM
RANGKA MAKSIMALISASI PENGAWASAN
WILAYAH LAUT INDONESIA
Tim Peneliti:
Dr. Eddy Setyo K, ST, MSc (Teknik Sistem Perkapalan/FTK/ITS)
Dr. M. Badrus Zaman, ST, MT (Teknik Sistem Perkapalan/FTK/ITS)
Indra Ranu Kusuma, ST, MSc (Teknik Sistem Perkapalan/FTK/ITS)
Juniarko Prananda, ST, MT (Teknik Sistem Perkapalan/FTK/ITS)
Mohammad Nasyir Tamara, SST, MT (Teknik Mekatronika/PENS)
Achmad Baidhowi, ST, MT (Teknik Sistem Perkapalan/FTK/ITS)
LEMBAGA PENELITIAN DAN PENGABDIAN KEPADA MASYARAKAT
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
SURABAYA
2020
2
3
DAFTAR ISI
Sampul
Lembar Pengesahan 3
Daftar Isi 3
Ringkasan 5
BAB 1. PENDAHULUAN 7
1.1 Latar Belakang 7
1.2 Perumusan Dan Pembatasan Masalah 10
1.3 Tujuan 11
1.4 Relevansi 11
1.5 Target Luaran 12
BAB 2. ROADMAP DAN STRATEGI PENELITIAN ITS 13
2.1 Roadmap Riset Unggulan ITS 12
2.2 Rencana Strategis Penelitian ITS 13
2.3 Kesesuaian Proposal dengan Roadmap dan Renstra ITS 11
BAB 3. TINJAUAN PUSTAKA 15
3.1 Pendahuluan 15
3.2 Sistem Propulsi Hybrid 16
3.2.1 Manfaat Dan Peluang Sistem Propulsi Hibrida 18
3.2.2 Aplikasi Sistem Propulsi Hibrid Di Kapal 18
3.2.3 Strategi Pengendalian Sistem Propulsi Hibrid 19
3.3 Studi Hasil Penelitian Tahun Sebelumnya (State of the Art) 21
BAB 4. METODE PENELITIAN 29
BAB 5. ORGANISASI TIM, JADWAL DAN ANGGARAN BIAYA 31
5.1 Organisasi Tim Peneliti 31
5.2 Jadwal 31
5.3 Anggaran Biaya 32
DAFTAR PUSTAKA 35
Lampiran Biodata Tim Peneliti 37
4
5
RINGKASAN
Pada saat ini, pengawasan wilayah teritorial laut Indonesia oleh TNI AL ataupun
BAKORKAMLA masih belum bisa optimal. Hal ini ditandai dengan masih maraknya kegiatan
illegal fishing di teritorial laut Indonesia yang sangat merugikan masyarakat nelayan tradisonal
khususnya dan negara kedaulatan Indonesia pada umumnya. Optimalisasi pengawasan wilayah
territorial membutuhkan anggaran untuk pembelian bahan bakar yang sangat besar, karena
sebagian besar armada kapal masih menggunakan system propulsi mekanis. Karakteristik dasar
sebuah kapal patroli harus memiliki kecepatan yang tinggi agar mampu melakukan pengejaran,
sedangkan untuk melakukan pengintaian dibutuhkan kecepatan yang rendah. Perubahan pola
operasional kapal patrol harus dilakukan untuk lebih mengoptimalkan pengawasan wilayah
NKRI. Tugas pengintaian pada kecepatan rendah harus mendapat porsi terbesar dari seluruh
kegiatan operasional kapal patrol. Namun hal ini terkendala dengan semakin meningkatkan
konsumsi bahan bakar bila kapal beroperasi pada kecepatan rendah dalam waktu yang lama.
Oleh karena itu, dalam penelitian ini, akan dikembangkan desain sistem propulsi hybrid dalam
skala laboratorium, antara sistem propulsi mekanis dan elektris, untuk mendapatkan solusi
terhadap permasalahan pengawasan wilayah teritori laut Indonesia. Keberhasilan penelitian
akan dapat memberikan masukan kepada TNI AL dan Bakorkamla guna melakukan perubahan
system propulsi pada armada kapal patrol yang menggunakan system propulsi mekanis menjadi
system propulsi hybrid guna memaksimalisasi pengawasan wilayah teritori laut dan sekaligus
minimalisasi konsumsi bahan bakar.
6
7
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1. LATAR BELAKANG
Indonesia merupakan sebuah negara dengan luas perairan lebih besar dari pada luas
daratan, maka dari itu Indonesia disebut sebagai negara maritim. Sebagai negara maritime
terbesar di dunia, pengawasan wilayah territorial merupakan kebutuhan yang sangat mendasar
dalam rangka menjaga kedaulatan dan kekayaan alam Indonesia. Pada saat ini, system
pengawasan wilayah territorial Indonesia yang dikoordinasi oleh Bakorkamla masih belum
optimal, akibat kebutuhan biaya bahan bakar yang tinggi. Kondisi ini tidak dapat dilepaskan
dari kondisi sebagian besar armada kapal patrol yang dimiliki masih menggunakan system
propulsi mekanis. Kelamahan utama penggunaan system propulsi mekanis adalah fleksibilitas
operasional yang rendah, khususnya saat beroperasi pada kecepatan rendah untuk melakukan
pengintaian. Sudah selayaknya dilakukan perubahan dari system propulsi mekanis menjadi
system propulsi hybrid pada armada-armada kapal patrol Bakorkamla.
Sebenarnya sistem propulsi hybrid bukanlah sebuah penemuan yang baru. Sistem ini
telah banyak dipergunakan pada kendaraan-kendaraan di darat dengan melakukan kombinasi
antara motor bakar dalam, motor/generator listrik, dan baterei. Keunggulan utama dari sistem
propulsi hybrid adalah kemampuannya untuk senantiasa beroperasi pada kondisi yang optimal,
walaupun terjadi fluktuasi perubahan beban (Emadi et al 2008). Sebuah kendaraan yang
menggunakan sistem propulsi dengan satu motor penggerak, maka perencanaan kebutuhan
daya propulsi hanya disesuaikan dengan kebutuhan daya pada kondisi puncak. Padahal
pengoperasian pada kondisi puncak jarang dilakukan, karena kendaraan hanya dioperasikan
pada kondisi beban rata-rata. Hal inilah yang menjadi salah satu latar belakang pengembangan
sistem propulsi hybrid (Schofield et al 2005). Apabila penggunaan sistem propulsi hybrid
disertai dengan pemilihan konfigurasi yang tepat, maka fluktuasi kebutuhan daya propulsi
dapat senantiasa dipenuhi secara optimal.
Perubahan trend pemilihan jenis sistem propulsi di dunia maritim juga disebabkan oleh
pertimbangan sebagaimana yang terjadi di darat, yaitu pola operasional yang bervariasi mulai
dari kecepatan rendah sampai kecepatan tinggi. Misalnya kapal militer, di mana kapal ini
memiliki kemampuan untuk beroperasi pada kecepatan yang tinggi, namun operasional pada
kecepatan patroli lebih dominan. Kondisi ini membuat operasional motor diesel atau turbin gas
menjadi kurang optimal, karena senantiasa beroperasi pada kondisi beban rendah yang
menyebabkan pemborosan bahan bakar dan kenaikan biaya perawatan.
Permasalahan sebagaimana diungkap pada paragraf di atas menjadi salah satu alasan
terjadinya perubahan pemilihan sistem propulsi pada kapal-kapal militer di AS. Perubahan
sistem propulsi dari COGAG (Combined Gas-turbine And Gas-turbine) menjadi CODELAG
(COmbined Diesel ELectric And Gas-turbine) telah dilakukan pada beberapa kapal jenis frigat
8
dan destroyer (Sciberras & Grech 2012). Dengan adanya perubahan ini, saat kapal militer
beroperasi pada kecepatan rendah, maka kapal digerakkan dengan menggunakan sistem
propulsi elektris atau diesel elektris. Sedangkan pada kecepatan maksimum dapat
menggunakan sistem propulsi hybrid. Sistem propulsi hybrid merupakan kombinasi antara
diesel elektris dan gas turbin.
Pada kasus yang lain, Riet, 2007 telah melakukan analisa pemilihan sistem propulsi bagi
Offshore Patrol Vessel (OPV) di India. Empat alternatif sistem propulsi dipilih, kemudian
dilakukan analisa, baik segi teknis dan ekonomis. Keempat sistem propulsi alternatif tersebut
diperlihatkan pada Gambar 2.1. Analisa dilakukan berdasarkan tiga profil operasional dengan
kecepatan dan prosentase operasional pada setiap misi seperti terlihat pada Gambar 2.2. Hasil
analisa biaya investasi dan konsumsi bahan bakar untuk keempat alternatif tersebut terangkum
pada Tabel 2.1. Berdasarkan hasil analisa ekonomi, ternyata sistem propulsi elektris memiliki
memiliki performance yang paling buruk dibandingkan dengan ketiga sistem propulsi yang
lain. Sedangkan perbedaan antara alternatif 2 dengan dual engine direct drive dan alternatif 4
Power Take Off/Power Take In (PTO/PTI) arrangement memiliki perbedaan performance yang
tidak terlalu signifikan. Keduanya memiliki keunggulan dalam hal konsumsi bahan bakar,
redundan dan pengoperasian pada kecepatan rendah. Keunggulan sistem propulsi hybrid
dibandingkan dengan dual engine direct drive adalah dalam hal biaya investasi.
Di saat tuntutan untuk mengurangi konsumsi bahan bakar dan emisi semakin meningkat,
ternyata profil operasional kapal menjadi semakin beragam. Misalnya kapal lepas pantai
memiliki banyak tugas, yaitu operasi transit dan penentuan posisi dinamis penting (DP); dan
kapal tunda membutuhkan tarikan tonggak penuh saat menarik dan membutuhkan daya terbatas
selama transit atau siaga. Karena profil operasi yang beragam ini, pembangkit listrik dan
propulsi harus berkinerja baik pada banyak kriteria kinerja, yaitu konsumsi bahan bakar, emisi,
kebisingan, availability, manoeuvrability, kenyamanan, biaya perawatan dan investasi.
a. Sistem propulsi mekanis dengan satu
mesin penggerak satu propeller
b. Sistem propulsi mekanis dengan dua
mesin penggerak satu propeller
c. Sistem propulsi elektris
d. Sistem propulsi hybrid dengan shaft
generator
Gambar 1. Beberapa alternatif pemilihan sistem propulsi pada Damen Offshore Patrol Vessel
8313 (Riet 2007)
9
Gambar 2. Profil operasional Offshore Patrol Vessel (OPV) (Riet, 2007)
Tabel 2.1. Hasil analisa ekonomi empat sistem propulsi untuk kapal OPV India (Riet, 2007)
Sistem propulsi Biaya investasi
Profil operasional
Dominant slow Dominant
patrol Max chase
2x Single engine direct
drive (based) - 1265 t/yr 1527 t/yr 2074 t/yr
2x Dual engine direct
drive + Euro 1500 1194 t/yr 1458 t/yr 2004 t/yr
2x Electric drive (DE
concept) + Euro 1500 1327 t/yr 1634 t/yr 2315 t/yr
2x Single engine direct
+ Hybrid + Euro 1000 1212 t/yr 1484 t/yr 2030 t/yr
Catatan : t/yr = ton per tahun
Sistem propulsi hybrid yang menjadi obyek penelitian ini dapat beroperasi dalam empat
mode propulsi, yaitu mode elektris, mode generator, mode mekanis dan mode hybrid. Dengan
adanya empat mode operasi ini, maka sistem propulsi HSG memiliki beberapa keunggulan
sebagai berikut (http://www.rolls-royce.com) :
• Konsumsi bahan bakar lebih ekonomis dan ramah lingkungan. Motor diesel dapat
senantiasa beroperasi pada kondisi optimum, walaupun terjadi fluktuasi kecepatan dan
kondisi lingkungan pelayaran yang bervariasi. Hal ini menyebabkan potensi besar
untuk penghematan bahan bakar dan pengurangan NOx/CO2.
• Operasional yang fleksibel. SGM dapat berfungsi sebagai generator untuk
menghasilkan daya listrik, atau sebagai motor untuk beroperasi sendiri atau bersama-
sama dengan mesin utama kapal.
10
• Life time mesin bertambah dan biaya perawatan berkurang. Pengurangan jam
operasional diesel generator menjadikan waktu interval perawatan thruster dan motor
listrik naik, sehingga menurunkan biaya operasi.
• Peningkatan kenyamanan di kapal. Tingkat kebisingan dan getaran menjadi turun
sebagai akibat dari penurunan putaran mesin dan jam operasional, sehingga akan
meningkatkan kenyamanan.
• Peningkatan redundansi. Sistem propulsi masih tetap bisa beroperasi, walaupun salah
satu mesin mengalami gagal operasi.
Lebih lanjut, profil operasional pada kapal patrol yang beragam, hal ini membuat system
propulsi mekanis dan system pembangkit listrik di kapal sulit untuk senantiasa bekerja pada
kondisi yang optimal. Oleh karena itu, sejak 1990-an banyak kapal yang beralih menggunakan
sistem propulsi elektris yang memiliki efisiensi yang tinggi pada kecepatan rendah. Namun
sistem propulsi elektris ini mengakibatkan kerugian daya tambahan sebesar 5–15%, yang
diakibatkan adanya konversi energi pada generator, konverter daya, transformator dan motor
listrik, bila dibandingkan dengan system propulsi mekanis [2]. Sistem propulsi hybrid mampu
mengadopsi keunggulan dari kedua system propulsi mekanis dan elektris, namun
permasalahannya berada di system manajemen daya yang lebih rumit untuk menjaga agar
seluruh komponen-komponen penyusun yang saling berkaitan untuk senantiasa beroperasi
pada kondisi puncak.
Berdasarkan latar belakang tersebut di atas, maka pembuatan prototipe sistem propulsi
hybrid berikut sistem kontrolnya merupakan langkah awal dalam rangka melakukan perubahan
system propulsi mekanis menjadi system propulsi hybrid pada armada kapal patrol
Bakorkamla.
1.2. PERUMUSAN DAN PEMBATASAN MASALAH
Pada saat ini, beberapa armada kapal TNI AL telah menggunakan sistem propulsi
hybrid, misalnya KRI Nala yang memiliki 2 mesin diesel bertenaga 8.000 bhp untuk mencapai
kecepatan jelajah 21 knot dan 1 booest gas turbine dengan 22.360 shp yang sanggup
mendorong kapal hingga kecepatan 30 knot. Sistem propulsi hybrid ini dikenal sebagai
COmbined Diesel engine Or Gas turbine (CODOG). Walaupun CODOG merupakan sistem
propulsi hybrid, namun kecepatan operasionalnya masih terbatas. Hal ini dikarenakan, baik
mesin diesel dan gas turbin, keduanya dipergunakan dalam sistem propulsi mekanis. Sistem
propulsi hybrid yang memiliki kecepatan operasional luas adalah sistem propulsi yang
menggabungkan antara sistem propulsi mekanis dan sistem propulsi elektris.
Oleh karena itu, prototipe sistem propulsi hybrid yang akan dikembangkan adalah
sistem propulsi hybrid yang menggabungkan antara sistem propulsi mekanis dan sistem
propulsi elektris. Karena sistem propulsi hybrid ini merupakan kombinasi dari sistem propulsi
listrik dan sistem propulsi mekanis, maka sistem propulsi hybrid dapat memperoleh manfaat
11
dan keunggulan dari kedua sistem propulsi penyusunnya. Agar memperoleh manfaat dari
kombinasi sistem propulsi tersebut secara optimal, terdapat beberapa permasalahan, sebagai
berikut :
a. Bagaimana desain komposisi dari sistem propulsi mekanis dan elektris yang tepat
berdasarkan pola operasional kapal, sehingga seluruh kebutuhan daya terpenuhi secara
optimal.
b. Bagaimana merencanakan strategi kontrol pertukaran sistem propulsi satu ke yang lain
untuk mendapatkan operasional yang optimal dan dapat menggunakan ekstra tingkat
kontrol dengan mentransfer daya listrik dari penggerak mekanis ke jaringan listrik dan
sebaliknya
Karena penelitian ini merupakan langkah awal dari penelitian yang berkaitan
pengembangan sistem propulsi hybrid pada armada kapal TNI dalam rangka optimalisasi
sistem pengawasan wilayah perairan Indonesia, maka ada beberapa batasan masalah:
- Kapal yang menjadi obyek penelitian adalah sebuah model kapal trimaran yang
memiliki tiga lambung, karena TNI AL sedang mengembangkan kapal trimaran.
- Motor mekanis diletakkan pada mainhull kapal yang terpasang dengan sistem
inboard dan dua motor listrik diletakkan kedua demihull kapal yang terpasang
dengan sistem outboard.
- Motor electric outboard yang tersedia di pasaran adalah motor DC, maka sistem
distribusi listrik yang dipergunakan adalah sistem DC.
- Sebagai pembangkit listrik dipergunakan satu atau lebih batterey kering sebagai
pengganti dari generator listrik.
Oleh karena itu, pada proposal penelitian ini akan diperbandingkan operasional sebuah
model kapal yang dirancang menggunakan sistem propulsi mekanis dan model kapal yang
dirancang menggunakan sistem propulsi hybrid dengan menggunakan pola operasional yang
sama. Pengertian pola operasional yang sama adalah setiap kapal akan dioperasikan pada
beberapa kecepatan dinas dan selang waktu operasi yang sama.
1.3 TUJUAN
Sesuai dengan perumusan masalah yang telah diuraikan di atas, maka tujuan dari
pelaksanaan penelitian ini adalah
- Mendapatkan desain sistem propulsi hybrid yang optimal, sesuai dengan pola
operasional kapal yang dimiliki.
- Mendapatkan strategi sistem kontrol yang sesuai, agar perpindahan antar sistem
propulsi dapat berlangsung dengan baik.
1.4 RELEVANSI
Indonesia sebagai negara maritim memiliki garis pantai 104 ribu kilometer. Luas wilayah
laut berdasarkan UNCLOS 1982 mencapai 284.210,9 kilometer persegi laut teritorial,
12
2.981.211 kilometer wilayah Zona Ekonomi Eksklusif Indonesia (ZEEI), dan 279.322
kilometer persegi laut 12 mil. Kondisi itu membuat Indonesia memiliki sumber daya laut yang
melimpah. Besarnya potensi kelautan Indonesia menjadi ancaman yang serius apabila
pengamanan di wilayah laut belum maksimal, sebagai dampak dari kemampuan armada kapal
patroli masih sangat terbatas dibandingkan kebutuhan untuk mengawasai daerah rawan serta
luasnya wilayah laut yang menjadi yurisdiksi Indonesia dan kenyataan masih sangat
terbukanya ZEE (Zona Ekonomi Eksklusif Indonesia) Indonesia yang berbatasan dengan laut
lepas (High Seas). Keadaan ini menjadi daya tarik bagi masuknya kapal-kapal ikan asing
maupun lokal untuk melakukan Illegal Fishing.
Dampak dari Illegal Fishing yang terjadi sangat dirasakan oleh para nelayan Indonesia,
karena kesejahteraan mereka sangat tergantung pada kekayaan ikan di laut. Nelayan asing yang
melakukan Illegal Fishing ini menangkap ikan di laut Indonesia secara besar-besaran dan
dengan cara yang dapat merusak habitat ikan di dalam laut seperti menangkap ikan
menggunakan bom, racun, dan berbagai alat tangkap terlarang yang melanggar ketentuan
undang-undang yang ada. Hal ini menyebabkan kerugian besar bagi negara dan khususnya
terhadap nelayan Indonesia yang menggantungkan hidupnya di laut.
Salah satu kendala belum maksimalnya pengawasan wilayah perairan laut Indonesia
dikarenakan biaya konsumsi bahan bakar yang tinggi. Kapal patroli didesain memiliki
kecepatan tinggi, sedangkan untuk kegiatan patroli pada kondisi damai adalah kecepatan
rendah (loitering). Kondisi kontradiksi ini membutuhkan sistem propulsi kapal yang bersifat
fleksibel. Adapun semua kapal patroli TNI AL menggunakan sistem propulsi mekanis, yang
memiliki kelemahan dalam hal fleksibilitas operasional. Hal ini berdampak pada keterbatasan
kecepatan loitering yang bisa dicapai, sehingga minimalisasi konsumsi bahan bakar dan
maksimalisasi patroli wilayah laut tidak dapat tercapai. Oleh karena itu, permasalahan inilah
yang akan diselesaikan dengan penggunaan sistem propulsi hybrid pada kapal patroli.
1.5 TARGET LUARAN
Proposal penelitian pengembangan prototipe ini akan melakukan percobaan dalam skala
model yang disesuaikan dengan kondisi yang sebenarnya di lapangan. Sehingga dengan adanya
penelitian ini akan dapat memberikan kontribusi yang nyata dalam menunjang perwujudan
Indonesia sebagai Poros Maritim Dunia. Penelitian ini akan menghasilkan keluaran berupa:
a. Prototipe desain dan sistem kendali sistem propulsi hybrid
b. Paper untuk jurnal internasional terakreditasi Scopus.
c. Paper untuk seminar nasional atau international yang terakreditasi Scopus.
13
BAB II
ROADMAP DAN RENSTRA PENELITIAN ITS
Berdasarkan Statuta 2015, visi Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) adalah
menjadi sebuah perguruan tinggi teknik yang memiliki reputasi internasional dalam ilmu
pengetahuan, teknologi, dan seni. Adapun misi yang diemban adalah memberikan kontribusi
secara nyata dalam pengembangan ilmu pengetahuan, teknologi, dan seni bagi kesejahteraan
masyarakat, terutama melalui kegiatan pendidikan, penelitian, dan pengabdian kepada
masyarakat. Visi dan misi tersebut dijabarkan dalam Rencana Strategis ITS 2015-2020 yang
mencanangkan ITS sebagai sebuah Research University yang memiliki reputasi internasional
pada tahun 2017.
2.1 ROADMAP RISET UNGGULAN ITS
Penyusunan Roadmap Riset Unggulan ITS dilaksanakan dalam beberapa tahap, secara
lebih detail :
1. Pengklusteran
Topik-topik penelitian yang dihimpun dari data penelitian yang dikelola oleh Lembaga
Penelitian dan Pengabdian Masyarakat (LPPM) ITS pada periode 2010-2014 dan dari
hasil penelusuran capaian penelitian dari berbagai sumber sampai 2015 dilakukan
pengklusteran.
2. Evaluasi Kuantitatif
Setiap kluster yang terbentuk dilakukan evaluasi kuantitatif berdasarkan
- capaian publikasi dan produk HKI serta dana penelitian yang diperoleh,
- survey pendapat para kepala laboratorium mengenai keunggulan dan keunikan tiap
kluster.
3. Perumusan Riset Unggulan ITS
Berdasarkan hasil dari kedua tahap tersebut, maka disusun bidang riset unggulan yang
perlu menjadi prioritas dalam perencanaan dan pelaksanaan program penelitian di ITS.
Berdasarkan perumusan bidang riset unggulan tersebut, selanjutnya disusun peta jalan
(roadmap) penelitian ITS secara terinci dalam kurun waktu lima tahun (2012-2015) serta
prakiraan peta jalan pada kurun waktu yang lebih panjang (2016-2025). Berdasarkan hasil
kegiatan perumusan riset unggulan ITS didapatkan bidang-bidang riset unggulan ITS sebagai
berikut:
1. TIK dan Robotika
2. Energi
3. Material dan Nanoteknologi
14
4. Lingkungan dan Pemukiman
5. Kelautan
2.2. RENCANA STRATEGIS PENELITIAN ITS
Penyusunan Renstra Penelitian ITS bertujuan untuk memberikan pedoman dalam rangka
mendayagunakan secara maksimal sumber daya dan dana yang tersedia untuk penelitian
sedemikian hingga didapatkan hasil yang kongkrit dan bermanfaat bagi masyarakat, industri,
pemerintah, maupun perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi. Untuk mencapai tujuan
tersebut maka telah dirumuskan bidang-bidang riset unggulan beserta topik-topik penelitian
yang terkait di dalamnya, peta jalan penelitian sampai 2020 bagi setiap bidang dan topik, serta
estimasi pendanaan yang dibutuhkan per tahun. Perumusan bidang unggulan dilakukan dengan
mempertimbangkan kekuatan internal ITS dalam tiap bidang serta kondisi eksternal yang
relevan, antara lain kebutuhan masyarakat dan tren perkembangan teknologi.
Untuk kebijakan dan pelaksanaan program penelitian periode tahun 2016-2020,
khususnya untuk menentukan bidang unggulan ITS, maka perlu dilakukan kembali analisis dan
evaluasi bidang-bidang riset tersebut berdasarkan capaian kinerja para peneliti dengan
indikator kinerja yang bersifat kuantitatif maupun kualitatif. Untuk memudahkan, maka
klaster-klaster bidang riset yang dievaluasi adalah yang pada periode sebelumnya
dikembangkan di bawah koordinasi Pusat Studi. Agar lebih komprehensif analisa dan
evaluasinya, diambil beberapa indikator kinerja penelitian yang baku digunakan oleh ITS dan
KEMENRISTEKDIKTI. Ada 5 indikator kinerja penelitian yang digunakan yaitu
(1) jumlah judul hibah penelitian,
(2) jumlah dana penelitian,
(3) jumlah publikasi yang terindeks Scopus,
(4) jumlah Paten, dan
(5) keunikan keilmuan.
Empat indikator kinerja yang pertama (1 s/d 4) merupakan indikator kuantitatif
sedangkan indikator ke-5 yaitu keunikan keilmuan adalah indikator kualitatif. Hasil capaian
kinerja untuk setiap indikator kinerja dan perhitungan nilai kinerja overall untuk setiap bidang
unggulan. Direkomendasikan 5 bidang unggulan ITS yang perlu mendapat prioritas utama,
yaitu:
1. TIK dan Robotika
2. Energi
3. Material dan Nanoteknologi
4. Lingkungan dan Pemukiman
5. Kelautan
Sedangkan bidang-bidang unggulan yang lain tetap perlu didukung oleh ITS untuk menjaga
perkembangan bidang riset yang berpotensi menjadi unggulan di masa depan. Dengan
mempertimbangkan hasil studi diatas, dan perkembangan kedepan dibentuklah pusat pusat
studi sebagai berikut:
1. Pusat Studi Energi
15
2. Pusat Studi Kelautan dan Kebumian
3. Pusat Studi Permukiman, Lingkungan dan Infrastruktur
4. Pusat Studi TIK dan Robotika
5. Pusat Studi Kebumian, Bencana dan Perubahan Iklim
6. Pusat Studi Sains, Material dan Nanoteknologi
7. Pusat Studi Potensi Daerah dan Pemberdayaan Masyarakat
Berdasarkan Rencana Strategis Penelitian ITS 2016 -2020, Roadmap penelitian Pusat
Studi Kelautan dan Kebumiandijabarkan sebagaimana pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1 Roadmap penelitian Pusat Studi Kelautan dan Kebumian berdasar Renstra
Penelitian ITS
Selanjutnya Pusat Studi Kelautan dan Kebumian menjabarkan lebih lanjut dalam
Roadmap penelitian berdasarkan Rencana Strategis Penelitian ITS dan isu-isu strategis
nasional yang berkaitan dengan bidang kelautan sebagaimana pada Gambar 2.2. Pada Roadmap
penelitian Pusat Studi Kelautan dan Kebumian terdapat bidang Pertahanan dan Keamanan
(HANKAM) yang sangat berkaitan dengan pengembangan sistem pengawasan wilayah teritori
laut Indonesia yang masih belum bisa maksimal.
2.3 KESESUAIAN PROPOSAL DENGAN ROADMAP DAN RENSTRA ITS
Penelitian Penegmbangan Prototype ini merujuk pada roadmap penelitian Pusat Studi
Kelautan dan Kebumian pada bidang Pertahanan dan Keamanan dan berfokus pada
pengembangan sistem propulsi hibrid yang efisien dan ramah lingkungan dalam rangka
16
memaksimalkan pengawasan wilayah laut dan minimalisasi konsumsi bahan bakar. Sistem
propulsi hibrid yang diteliti merupakan kombinasi antara sistem propulsi mekanis dan sistem
propulsi listrik, sehingga kapal patroli memiliki range kecepatan operasional yang sangat
fleksibel. Sistem propulsi kapal dapat beroperasi pada kecepatan rendah untuk melakukan
pengawasan dan pada kecepatan tinggi untuk melakukan pengejaran secara efektif dan efisien.
Hal ini secara tidak langsung akan menciptakan kapal patroli yang ramah lingkungan dan biaya
operasional rendah.
Gambar 2.2 Roadmap penelitian Pusat Studi Kelautan dan Kebumianberdasarkan Renstra
Penelitian ITS dan Isu Strategis Nasional bidang Kelautan
17
BAB 3
TINJAUAN PUSTAKA
3.1. PENDAHULUAN
Industri maritim, sebagaimana industri lainnya, pada saat ini mendapat tekanan yang
tinggi untuk mengurangi dampak lingkungan yang dihasilkannya. Apabila pengurangan
dampak lingkungan diabaikan, maka emisi CO2 diproyeksikan akan meningkat 50 – 250% pada
tahun 2050, sementara konvensi Paris mentargetkan pemanasan global hanya 2oC [1].
Sedangkan industri perkapalan telah menyumbang 15% dari emisi Nox global, dan
diproyeksikan akan semakin meningkat bila tidak ada langkah pencegahan [1]. Adanya
kemajuan pada sistem tenaga dan propulsi yang ramah lingkungan dan peningkatan manajemen
energi, telah berkontribusi secara signifikan dalam pengurangan emisi CO2 dan NOx [3].
Guna mencapai target konvensi Paris, peraturan Marpol Organisasi Maritim
Internasional (IMO) semakin ketat memberlakukan pembatasan emisi kapal [4]. Pertama, IMO
Marpol lampiran VI menetapkan batasan pada emisi nitrogen oksida (NOx) untuk mesin diesel
dengan output lebih dari 130 kW. Misalnya, mesin diesel di kapal yang dibangun setelah
Januari 2011, disebut sebagai Tier 2 memiliki batasan 7,7 g/kWh untuk mesin kecepatan tinggi
dan 14,4 g/kWh untuk mesin kecepatan sangat rendah. Mulai Januari 2016, disebut Tier 3,
batas ini kurangi menjadi 2,0 g / kWh dan 3,4 g / kWh [3]. Karena itu, sistem propulsi dan
sistem pembangkit listrik pada kapal masa depan harus secara signifikan mampu mengurangi
konsumsi bahan bakar dan emisi selama beberapa tahun mendatang.
Seiring dengan tuntutan untuk mengurangi konsumsi bahan bakar dan emisi meningkat,
profil pengoperasian kapal menjadi semakin beragam: kapal lepas pantai melakukan banyak
tugas, seperti operasi transit dan critical dynamic positioning (DP) [5,6]; heavy crane vessels,
seperti kapal Pioneering Spirit, yang memperlihatkan kapasistas dan kompleksitifitas operasi
lepas pantai semakin meningkat, kapal patroli militer yang sebelumnya beroperasi di laut
terbuka, tetapi juga dipergunakan dalam operasi pesisir; dan kapal tunda membutuhkan daya
tarik penuh saat menarik dan membutuhkan daya terbatas selama transit atau standby [7].
Karena profil operasi yang semakin beragam ini, maka sistem propulsi dan pembangkit listrik
harus memiliki kinerja baik dengan berbagai kriteria, seperti:
1. Konsumsi bahan bakar;
2. Emisi;
3. Radiasi kebisingan;
4. Ketersediaan propulsi;
5. Kemampuan manuver;
6. Kenyamanan karena kebisingan, getaran dan bau minimal;
7. Biaya perawatan karena pemuatan termal dan mekanik engine; dan
8. Biaya pembelian.
18
Akibat profil operasional yang beragam, maka optimalisasi titik operasi sistem propulsi
dan pembangkit listrik menjadi sangat sulit, apabila dilakukan secara konvensional. Dengan
demikian, sejak 1990-an, konfigurasi daya dan propulsi telah disesuaikan dengan profil operasi
yang bervariasi dengan propulsi listrik untuk berbagai jenis kapal. Penggunaan sistem propulsi
listrik memiliki efisiensi lebih baik pada kecepatan rendah, namun terdapat kerugian tambahan
sebesar 5-15% akibat adanya konversi energi dalam komponen listrik seperti generator,
konverter daya, transformator dan motor listrik.
Perpaduan antara efisiensi dan kemampuan beradaptasi terhadap beragam profil operasi
ini telah menghasilkan berbagai desain sistem propulsi dan pembangkit listrik, yang dapat
dikategorikan sebagai berikut:
a. Sistem propulsi mekanis, listrik atau kombinasi dari keduanya (hybrid);
b. Sistem pembangkit listrik dengan mesin bakar, sel bahan bakar, penyimpanan energi
atau kombinasi hibrida; dan
c. Distribusi sistem kelistrikan AC atau DC.
Ketika kompleksitas desain sistem semakin meningkat, maka derajat kebebasan dalam
sistem kontrol juga meningkat. Namun, sebagian besar kapal yang menggunakan sistem
propulsi canggih masih menggunakan strategi kontrol tradisional yang sama: kurva kombinator
tetap, generator frekuensi tetap, penggunaan baterai berdasarkan aturan dan pengaturan
konfigurasi yang dikendalikan operator. Sebaliknya, penelitian di bidang maritim dan otomotif
telah menunjukkan bahwa desain yang canggih dengan kontrol tradisional tidak secara
signifikan mengurangi konsumsi bahan bakar atau emisi sementara biaya dan kompleksitas
sistem meningkat [5,8].
Namun demikian, strategi kontrol modern untuk aplikasi maritim belum dikembangkan.
Penelitian hanya terbatas pada optimalisasi penyebaran baterai dan penggunaan desain
arsitektur sistem DC yang dapat menghasilkan pengurangan 10–35% dalam konsumsi bahan
bakar dan emisi [9-14]. Adapun analisis dampak pada kriteria lain hampir tidak pernah dibahas.
Oleh karena itu, penelitian yang menyeluruh dan pengembangan strategi kontrol cerdas yang
mampu meningkatkan kinerja sistem propulsi dan pembangkit listrik di kapal pada berbagai
kriteria sangat diperlukan untuk mencapai manfaat arsitektur canggih untuk kapal pintar masa
depan. Untuk mengarahkan penelitian ini, strategi kontrol yang berlaku harus ditinjau untuk
setiap desain, serta kinerjanya pada berbagai kriteria yang tercantum di atas.
Pada saat ini, penjelasan secara detail hanya ada pada dunia otomotif dengan mobil
hybrid beserta strategi pengendaliannya [15,8,16,17]. Pengetahuan semacam itu kurang sesuai
bila secara langsung diaplikasikan desain dan strategi kontrol di kapal. Klasifikasi dalam
kendaraan listrik hibrid paralel, seri, dan seri-paralel [15,18] tidak berlaku untuk desain sistem
propulsi dan pembangkit listrik kapal, karena kapal dapat memiliki beberapa mesin penggerak,
motor penggerak listrik, generator diesel, sel bahan bakar dan penyimpanan energi sistem.
3.2 SISTEM PROPULSI HYBRID
Perkembangan sistem propulsi dimulai dari sistem propulsi mekanis yang memiliki
efisiensi tinggi pada kecepatan dinas, namun di luar kecepatan yang direncanakan efisiensinya
19
menurun. Untuk mengatasi kelemahan tersebut, maka sistem propulsi listrik mulai
diaplikasikan di kapal. Akan tetapi, untuk mencapai kecepatan rendah ini, hanya membutuhkan
sebagian kecil dari daya propulsi yang tersedia, dimana hal ini terdapat kerugian yang terkait
dengan konversi energi menyebabkan peningkatan konsumsi bahan bakar pada sistem propulsi
listrik [19]. Selain itu, penambahan peralatan listrik ini juga menyebabkan peningkatan berat,
ukuran dan biaya [20]. Oleh karena itu, kapal yang sering beroperasi dengan kecepatan rendah
tapi juga harus beroperasi pada kecepatan tinggi dapat menggunakan sistem propulsi hibrid
[21,22].
Konfigurasi sistem propulsi hibrid secara umum sebagaimana diperlihatkan pada
Gambar 3.1. Pada sistem propulsi hibrid, penggerak mekanis dapat secara langsung (1)
menyediakan propulsi untuk kecepatan tinggi dengan efisiensi tinggi. Selain itu, motor listrik
(2), yang digabungkan ke poros yang sama melalui gearbox (3) atau langsung ke poros yang
menggerakkan baling-baling guna menyediakan tenaga penggerak untuk kecepatan rendah.
Sehingga dapat menghindari pengoperasian mesin utama secara tidak efisien akibat beban
sebagian. Motor ini juga dapat digunakan sebagai penggerak generator untuk menyuplai
kebutuhan listrik pada jaringan listrik layanan kapal (4).
Gambar 3.1. Contoh konfigurasi sistem propulsi hibrid [2]
Berdasarkan pada penjelasan sistem operasi dari sistem propulsi hibrid pada Gambar 3.1
terdapat empat mode operasi yang berbeda, yaitu:
1. Mode elektris, mesin mekanis dalam kondisi tidak beroperasi, sehingga kapal
digerakkan oleh motor listrik. Daya listrik untuk motor listrik diperoleh dari diesel
generator yang juga mensuplai beban listrik lainnya.
2. Mode shaft generator, mesin mekanis menggerakkan propeller sebagai pendorong
kapal dan shaft generator sebagai penghasil listrik. Sehingga diesel generator yang
20
beroperasi dapat berkurang.
3. Mode mekanis, mesin mekanis hanya menggerakkan propeller. Sedangkan seluruh
kebutuhan daya listrik diperoleh dari pengoperasian diesel generator
4. Mode hybrid, mesin mekanis dan motor listrik beroperasi untuk menggerakkan kapal
pada kecepatan tinggi. Kebutuhan listrik untuk motor listrik dan beban listrik lainnya
diperoleh dari pengoperasian seluruh diesel generator.
3.2.1. Manfaat dan Peluang Sistem Propulsi Hibrida
Karena propulsi hibrid merupakan kombinasi dari sistem propulsi listrik dan mekanis,
maka propulsi ini dapat memperoleh manfaat dari keduanya. Namun, untuk mencapai manfaat
ini, diperlukan desain yang tepat (sistem propulsi hibrid) dan pengaturan pertukaran antara
kedua sistem propulsi ini dilakukan. Strategi kontrol yang tepat memungkinkan trade-off yang
optimal dan dapat menggunakan ekstra tingkat kontrol dengan mentransfer daya listrik dari
penggerak mekanis ke jaringan listrik dan sebaliknya. Tantangan utama untuk desain propulsi
hibrid adalah bagaimana menyeimbangkan pertukaran antara semua persyaratan dari kedua
sistem propulsi dan merancang strategi kontrol untuk mencapai keseimbangan ini.
3.2.2. Aplikasi Sistem Propulsi Hibrid di Kapal
Beberapa jenis kapal yang telah menggunakan sistem propulsi hibrid adalah fregat dan
perusak angkatan laut [21,22], kapal penarik [23] dan kapal lepas pantai [5,6]. Castles dan
Bendre [21] menggambarkan keuntungan ekonomis dari sistem propulsi hibrid pada kapal
kelas US Navy DDG-51. Angkatan Laut AS menggunakan turbin gas sebagai penggerak
utamanya, juga untuk penggerak generator pada sistem kelistrikan kapal.
Konsumsi bahan bakar spesifik part load dari turbin gas sangat buruk, bahkan jauh lebih
buruk daripada mesin diesel. Dengan turbin gas, sistem propulsi hibrid dapat menyebabkan
penghematan bahan bakar yang signifikan. Sulligoi et al. [22] membahas konfigurasi fregat
FREMM Angkatan Laut Italia dengan generator diesel dan mesin penggerak utama turbin gas,
namun tanpa membahas manfaat ekonominya. Wijsmuller dan Hasselaar [23] membandingkan
manfaat ekonomi dari sejumlah konfigurasi sistem propulsi hibrid pada kapal tugboat. Dengan
profil operasional kapal bekerja dengan kebutuhan daya mesin utama adalah 20% atau kurang
selama 90% dari waktu operasionalnya. Konfigurasi paling ekonomis untuk profil operasional
ini adalah sistem propulsi hibrid dengan menggunakan mesin besar dan kecil pada setiap poros,
mendukung kecepatan patroli sedang (45% dari waktu) secara efisien, dan menggunakan
tenaga listrik untuk patroli kecepatan rendah dan kecepatan jelajah (45% dari waktu).
Selanjutnya, Barcellos [5] melakukan kajian studi kasus tentang penggunaan sistem propulsi
hibrid pada kapal lepas pantai (offshore). Studi-studi ini menunjukkan bahwa peningkatan jarak
transit dalam kombinasi dengan persyaratan ketersediaan yang ketat untuk operasi DP sangat
sesuai dengan propulsi hybrid. Pembangkit tenaga mekanis dapat dioptimalkan untuk transit
yang efisien dan pembangkit listrik untuk operasi DP dengan ketersediaan tinggi. Dengan
21
demikian, penghematan bahan bakar lebih dari 10% tercapai.
Hasil dari ini studi mendukung asumsi bahwa propulsi hybrid biasanya ekonomis ketika
profil operasional memiliki operasi yang berbeda mode dengan jumlah waktu yang signifikan
pada daya rendah. Demikian pula, de Waard [24] menemukan bahwa propulsi hibrida
memberikan manfaat ekonomi jika kapal berlayar dalam waktu yang signifikan di bawah daya
propulsi 15%, setara dengan 40% dari kecepatan puncaknya.
3.2.3. Strategi Pengendalian Sistem Propulsi Hibrid
Strategi pengendalian yang saat ini sudah diterapkan dalam praktek dan dicakup dalam
beberapa literatur terkait sistem propulsi hibrid didasarkan pada dua mode operasi yang
terpisah antara sistem propulsi mekanis dan sistem propulsi listrik. Dimana untuk untuk
strategi pengendalian sistem mekanis yang telah dikembangkan adalah (i) governor speed
control, (ii) state feedback control with engine and turbocharger speed measurement, (iii)
adaptive speed control, (iv) combinator curve control, (v) combinator curve control with pitch
reduction, (vi) optimal speed and pitch H1 control, dan (vii) effective angle of attack control.
Sedangkan pengendalian untuk sistem listrik masih bertumpu pada torque and power control.
Adapun strategi pengendalian sistem propulsi hibrid untuk mencapai empat mode
operasional secara terintegrasi masih belum ada literatur yang membahasnya, kecuali hanya
dalam simulasi sebagaimana ketua tim peneliti telah mengerjakannya.
3.3 STUDI HASIL PENELITIAN TAHUN SEBELUMNYA
Berdasarkan Peta Jalan Riset Bidang Kelautan yang telah disusun dalam Rencana Induk
Penelitian Institut Teknologi Sepuluh Nopember 2012 – 2015 di bidang kelautan, pada topik
penelitian Enviromentally Friendly Marine Machineries, salah satu target yang hendak dicapai
sampai pada tahun 2015 adalah development technology for emission reduction from vessel
engine. Sedangkan mulai tahun 2016 – 2025, target penelitian adalah emmision reduction
equipment.
Proposal Penelitian Pengembangan Prototype Dana Lokal ITS 2020 dengan judul
“Rancang Bangun Prototipe Desain dan Kendali Sistem Propulsi Hybrid pada Kapal Patroli
Trimaran dalam Rangka Maksimalisasi Pengawasan Wilayah Laut Indonesia” merupakan
penelitian lanjutan yang telah dikerjakan pada tahun 2019. Hasil yang diperoleh pada tahun
pertama adalah sebuah model kapal trimaran beserta system propulsi elektris yang selanjutnya
dimodelkan melalui suatu program computer. Tahap berikutnya dilakukan analisa
hidrodinamis dengan menggunakan program Numeca untuk mendapatkan nilai hambatan.
Prediksi resistensi dari kapal memainkan peran penting dalam desain kapal. Spesifikasi
sistem propulsi sangat ditentukan oleh hasil prediksi resistansi. Bentuk lambung model kapal
trimaran yang diteliti memiliki perbedaan dengan bentuk lambung kapal trimaran pada
umumnya yang ramping. Bentuk lambung model kapal trimaran yang diteliti adalah gemuk,
22
sehingga disebut “Bulky Trimaran”. Data ukuran utama model kapal trimaran dan bentuk 2
dimensi dan 3 dimensi dapat dilihat pada Tabel 3.1, Gambar 3.2 dan Gambar 3.3.
Tabel 3.1. Ukuran utama model kapal trimaran
Gambar 3.2. Bentuk 2 dimensi lambung model kapal trimaran (Bulky Trimaran)
Gambar 3.3. Bentuk 3 dimensi lambung model kapal trimaran (Bulky Trimaran)
23
Karakteristik model kapal trimaran yang dianalisa memiliki bentuk side hull yang
relative lebih besar dibandingkan dengan mainhull utama, dimana rasio S/L adalah 0,1427.
Karakter lain dari model ini adalah sarat mainhull yang tinggi dibandingkan dengan side hull.
Tujuan dari desain ini adalah untuk menyediakan displacement yang lebih besar, sehingga
mampu memberikan payload yang tinggi atau geladak yang lebih luas.
Nilai faktor bentuk model ditentukan dengan menggunakan regresi terhadap beberapa
hasil percobaan yang telah dilakukan. Dengan menggunakan prinsip yang sama dalam uji
tangki penarik, serangkaian uji ketahanan model dilakukan untuk beberapa kecepatan. Proses
pengujian model didasarkan pada hukum kesamaan, dimana kecepatan model dan kecepatan
kapal yang sesungguhnya harus memiliki nilai angka Froude yang sama. Domain dari model
CFD dikonfigurasi seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 3.4. Jumlah sel dalam model ini
adalah 1,7 juta sel.
Gambar 3.4. Domain setting
Tabel 3.2 memperlihatkan hasil prediksi hambatan model kapal trimaran dengan
menggunakan simulasi CFD, yaitu program Numeca.
Tabel 3.2. Hasil simulasi model untuk hambatan kapal
Tabel 3.3. Hasil simulasi model untuk CFM dan FR4/CFM
24
Berdasarkan hasil simulasi model, diperoleh 10 data hasil simulasi, tetapi berdasarkan ITTC,
metode regresi yang direkomendasikan adalah linier. Oleh karena itu, hanya diambil 4 data
yang diplot, sehingga diperoleh persamaan regresi sebagai berikut :
𝐶𝑇𝑚𝐶𝐹𝑚
= 0.9094(𝐹𝑟4
𝐶𝐹𝑚) + 1.4333
Gambar 3.5. Prohaska Trimaran model plot
Dari persamaan regresi tersebut, maka form factor untuk model bulky trimaran adalah
1.433 untuk S/L 0.143, selanjutnya dilakukan analisa form factor terhadap model kapal
trimaran yang lainnya. Ada beberapa bentuk kapal trimaran yang telah diteliti, salah satunya
adalah seri S-NPL dengan beberapa variasi S/L, di mana bentuk lambung dasar dapat
ditunjukkan oleh Gambar 3.6.
25
Gambar 3.6. Bentuk lambung dasar kapal trimaran seri NPL
Gambar 3.7. Konfigurasi jarak main hull dan side hull (S/L)
Tabel 3.4. Variasl B/T model kapal trimaran seri NPL dengan S/L 0,2
Tabel 3.5. Form factor model kapal trimaran seri NPL dengan variasi B/T
26
Berdasarkan perbandingan form factor, dapat disimpulkan bahwa form factor bulky
trimaran memiliki kesamaan terhadap NPL Trimaran dengan S/L 0,2 dan B/T 2,5. Untuk
mencapai optimasi waktu dan sumber daya, maka konsep disk aktuator digunakan. Disk
aktuator adalah konsep yang menyuntikkan kinerja propeller ke dalam model disk aktuator
untuk secara dinamis mendapatkan nilai dorong dan torsi yang tepat untuk setiap aliran masuk.
Fitur ini memiliki akurasi yang mampu bersaing dengan baling-baling model sepenuhnya
menggunakan jerat grid geser tetapi untuk membutuhkan waktu proses CPU yang lama, dari
kasus resistensi dan aliran tradisional.
Gambar 3.8. Model profile gelombang pada kecepatan 1.43 knot
Berdasarkan hasil simulasi pada Gambar 3.8, dapat disimpulkan bahwa ketinggian
gelombang model masih relatif rendah. Namun ketinggian gelombang untuk pada kecepatan
6,26 knot pada Gambar 3.9 sudah relatif tinggi.
Gambar 3.9. Model profile gelombang pada kecepatan 6.26 knot
Trimaran bulky memiliki propeller tunggal yang terletak di lambung utama, sebagaimana
diperlihatkan pada Gambar 3.10. Diameter model propeller yang digunakan adalah 68,5mm.
27
Gambar 3.10. Pandangan samping profile gelombang untuk model pada kecepatan 6.26 knot
Gambar 3.11. Model wake fraction model pada kecepatan 1.433 knot
Berdasarkan Gambar 3.11, puncak bangun berada pada posisi 12 oclock dengan nilai
sekitar 0,03. Fenomena ini menunjukkan distribusi kecepatan yang tidak seragam pada posisi
tersebut yang mirip dengan kapal sekrup tunggal lainnya walaupun modelnya trimaran.
Gambar 3.12. Model wake fraction model pada kecepatan 6.26 knot
Gambar 3.12 nampak bahwa puncak bangun berada pada posisi 12 oclock dengan nilai
sekitar 0,1. Fenomena ini menunjukkan distribusi kecepatan yang tidak seragam pada posisi
tersebut yang mirip dengan kapal sekrup tunggal lainnya walaupun modelnya trimaran.
Kesimpulan lain yang dapat ditarik bahwa bangun adalah wake meningkat sebanding dengan
peningkatan kecepatan. Karakteristik wake dapat berbeda jika kapal menggunakan propeller
ganda. Konfigurasi lain yang dapat dievaluasi adalah penggunaan tiga propeller pada masing-
masing lambung model kapal trimaran.
28
Berdasarkan hasil Analisa di atas, ada beberapa kesimpulan yang bisa ditarik. Nilai form
factor untuk kapal trimaran bulky mendekati form factor model trimaran seri NPL. Nilai form
factor trimaran seri NPL berkisar antara 1,21, 1,32 dan 1,44 sedangkan form factor trimaran
bulky dengan S/L 0,143 adalah 1,433.
Fraksi wake trimaran bulky memiliki karakteristik yang mirip dengan kapal berpropeller
tunggal, dimana puncak bangun berada di posisi jam 12 dengan nilai tertinggi 0,1. Karakteristik
ini dapat berubah karena posisi dan jumlah propeller. Fenomena fraksi yang terbentuk akibat
perubahan jumlah propeller dan posisi propeller akan menjadi salah satu topik penelitian pada
tahun kedua ini.
29
BAB 4
METODE PENELITIAN
Penelitian Pengembangan Prototype tahun kedua ini akan melanjutkan hasil capaian
yang diperoleh pada tahun pertama untuk menghasilkan sebuah prototipe desain dan kendali
sistem propulsi hybrid pada kapal patroli trimaran dalam skala laboratorium. Adapun tempat
pelaksanaannya yaitu Laboratorium Listrik dan Otomatisasi Kapal, Departemen Teknik Sistem
Perkapalan, FTK – ITS untuk melakukan setting peralatan dan Laboratorium Hidrodinamika
FTK – ITS untuk melakukan percobaan.
Gambar 4.1. Flowchart penelitian tahun kedua
Adapun penjabaran metodologi penelitian pada tahun kedua, sebagaimana ditunjukkan
pada Gambar 4.1, adalah sebagai berikut :
i. Simulasi hidrodinamika model kapal trimaran dengan 3 propeller
Pada tahun pertama diperoleh nilai wake fraction model kapal trimaran bulky
sangat rendah. Nilai ini dapat ditingkatkan dengan melakukan penambahan jumlah
propeller dan penempatan posisi propeller.
ii. Rancang bangun system monitoring dan system kendali system propulsi hybrid
Pembuatan system monitoring diperuntukkan sebagai feedback dari system kendali
yang dirancang untuk mengontrol system propulsi hybrid kapal trimaran.
iii. Instalasi system propulsi hybrid, system monitoring dan system kendali
START
Simulasi hidrodinamika model kapal trimaran dengan 3 propeller
Rancang bangun system monitoring dan system kendali system propulsi hybrid
Instalasi system propulsi hybrid, system monitoring dan system kendali
Percobaan bollard test & free running model kapal trimaran dengan sistem propulsi hibrid
Analisa hasil percobaan bollard test & free running model kapal trimaran dengan sistem
propulsi hibrid
STOP
30
Seluruh peralatan yang telah dibuat disusun pada mainhull dan sidehull kapal
trimaran bulky dan dilakukan uji operasional sebelum dilakukan percobaan
iv. Pengujian bolard test dan free running model terhadap sistem propulsi mekanis
pada model kapal trimaran
Pengujian bollard test dan free running berfungsi untuk mendapatkan karakterstik
kebutuhan daya kapal trimaran yang selanjutnya akan dijadikan sebagai acuan
penyusunan system kendali propulsi hybrid.
v. Analisa hasil percobaan
vi. Pembuatan paper
Berdasarkan analisa hasil penelitian pada tahun pertama, maka akan dilakukan
penyusunan strategi pengendalian sistem kontrol propulsi hibrid dengan memilih metode yang
sudah dikembangkan. Pemilihan metode yang sesuai didasarkan pada karakteristik data hasil
penelitian tahun pertama, misalnya bersifat kontinyu, diskontinyu ataupun acak. Dimana sifat
data ini sangat berpengaruh terhadap pemilihan metode kontrol, misal proporsional, integral,
diferensial, gabungan PID, logika fuzzy, neural network ataupun yang lainnya.
31
BAB 5
ORGANISASI TIM, JADWAL DAN ANGGARAN BIAYA
5.1. ORGANISASI TIM
No Nama Peneliti/ Kompetensi Tanggung Jawab
1
Dr. Eddy Setyo
Koenhardono, ST,
MSc
Marine Power
Management
System, Marine
Engineering,
Marine, Electrical
and Automation
System
• Mengorganisir penelitian
• Melaksanakan percobaan, melakukan
analisa, dan menulis laporan
• Mempublikasikan hasil penelitian
sesuai dengan output yang telah
diusulkan
2 Ahmad Baidhowi,
ST, MT
Naval Architecture,
Marine Engineering
Ocean Renewable
Energy
• Melaksanakan simulasi hidrodinamika
kapal trimaran
• Melaksanakan percobaan, melakukan
analisa dan penyusunan laporan
Mohamad Nasyir
Tamara
Mechatronics
Engineering
• Menyusun peralatan untuk monitoring
dan malakukan system kendali pada
kapal trimaran
5.2. JADWAL PENELITIAN
No Kegiatan Bulan ke -
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 Studi Pustaka
2 Simulasi model kapal trimaran
dengan tiga propeller
3
Perancangan sistem kendali dan
monitoring sistem propulsi
hybrid pada model kapal
trimaran
4
Instalasi sistem propulsi hybrid,
sensor dan sistem kendali pada
model kapal trimaran
5
Percobaan bollard test & free
running model terhadap sistem
propulsi hibrid
6 Pembuatan laporan kemajuan
7 Analisa hasil simulasi dan
percobaan
8 Pembuatan paper untuk jurnal
dan seminar internasional
9 Pembuatan laporan akhir
32
5.3. ANGGARAN BIAYA
5.3.1. Gaji dan Upah
5.3.2. Bahan Penelitian
No. Nama Barang Volume Harga Biaya
1 Pembuatan system monitoring
untuk system propulsi hybrid
1 paket 5.000.000 5.000.000
2 Perancangan system kendali
untuk system propulsi hybrig
1 paket 5.000.000 5.000.000
3 Pengadaan shaft generator 1 paket 2.500.000 2.500.000
4 Bahan bakar Pertamax 100 liter 10.000 1.000.000
Sub total 2 13.500.000
5.3.3. Bahan Habis
No Nama Alat Spesifikasi Kegunaan
dlm penelitian
Rincian Total (Rp.)
Satuan (Rp)
1 Kertas A4 70 gr Laporan rutin 5 40.000 200.000
2 Black Toner Catridge TN261BK Laporan rutin 1 600.000 600.000
3 Yellow Toner Catridge TN261Y Laporan rutin 1 400.000 400.000
4 Cyan Toner Catridge TN261C Laporan rutin 1 400.000 400.000
5 Magenta Toner
Catridge TN261M Laporan rutin 1 400.000 400.000
Sub total 3 2.000.000
5.3.4. Transportasi
No Kegiatan Kuantitas Satuan (Rp). Total (Rp)
1 Perjalanan ke dalam negeri u seminar 1 trip 2.500.000 2.500.000
2 Perjalanan ke luar negeri u seminar
internasional 1 trip 10.000.000 10.000.000
Sub total 4 12.500.000
5.3.5. Pembuatan Laporan dan Paper
No Kegiatan Rincian
Biaya (Rp) Satuan (Rp)
1 Publikasi seminar internasional dalam
negeri 1 3.000.000 3.000.000
4 Publikasi pada jurnal internasional 2 10.000.000 20.000.000
5 Publikasi seminar internasional di luar
negeri 1 8.000000 8.000.000
Sub total 4 31.000.000
33
5.3.6. Rekapitulasi Biaya Tahun Kedua
No Jenis Kegiatan Biaya (Rp.)
1 Gaji dan Upah 0
2 Bahan Penelitian 13.500.000
3 Bahan Habis 2.000.000
4 Transportasi 12.500.000
5 Pembuatan laporan dan paper 31.000.000
Biaya total 60.000.000
34
DAFTAR PUSTAKA
1. Emadi, A., Young Joo Lee, and K. Rajashekara. 2008. “Power Electronics and Motor
Drives in Electric, Hybrid Electric, and Plug-In Hybrid Electric Vehicles.” IEEE
Transactions on Industrial Electronics 55 (6)
2. Schofield, N., H.T. Yap, and C.M. Bingham. 2005. “Hybrid Energy Sources for Electric
and Fuel Cell Vehicle Propulsion”, 522–529. IEEE. doi: 10.1109/VPPC.2005.1554530.
http://ieeexplore.ieee.org/lpdocs/epic03/wrapper.htm?arnumber=1554530.
3. Sciberras E., Grech A.,” Optimization of Hybrid Propulsion Systems”, TransNav, the
International Journal on Marine Navigation and Safety of Sea Transportation, Vol. 6, No.
4, pp. 539-546, 2012
4. Riet, B.J. 2007. “Economical Patrolling by Means of PTO/PTI Propulsion Systems, a
Practical Approach.” In Cartagena de Indias, Colombia.
5. R.D. Geertsma, R.R. Negenborn, K. Visser, J.J. Hopman, “Design and control of hybrid
power and propulsion systems for smart ships: A review of developments”, Applied
Energy. 2017; 194:30-54.
6. Roskilly AP, Palacin R, Yan J., “Novel Technologies and Strategies for Clean Transport
Systems” Applied Energy 2015;157:563–6.
7. IMO. “International Convention for The Prevention of Pollution from Ships”
(MARPOL) Annex VI. Consolidated edition. IMO; 2011
8. Barcellos R. “The Hybrid Propulsion System as An Alternative for Offshore Vessels
Servicing and Supporting Remote Oil Field Operations”, In: Proceedings of the annual
offshore technology conference, vol. 3; 2013. p. 1622–31.
9. MER. “Offshore Propulsion: Powering the Offshore Industry”, Marine Engineers
Review; March 2008. p. 18–22.
10. Volker T., “Hybrid Propulsion Concepts on Ships”, in: Zeszyty Naukowe Akademii
Morskiej w Gdyni, vol. 79; 2013. p. 66–76.
11. Sciarretta A, Serrao L, et al., “A Control Benchmark on The Energy Management of A
Plug In Hybrid Electric Vehicle”, In: Control engineering practice, vol. 29; 2014. p. 287–
98.
12. Breijs A, Amam EE., “Energy Management – Adapt Your Engine to Every Mission”, In:
Proceedings of the 13th international naval engineering conference; 2016. p. 1–8.
13. Bosich D, Sulligoi G. “Voltage Control on A Refitted Luxury Yacht Using Hybrid
Electric Propulsion and LVDC Distribution”, In: Proceedings of the 8th international
conference on ecological vehicles and renewable energies. Monte Carlo, Monaco; 2013.
p. 1–6.
14. Butcher M, Maltby R, Parvin PS., “Compact DC Power and Propulsion Systems – the
Definitive Solution?”, In: Proceedings of the 3rd engine as a weapon conference.
Portsmouth, UK; 2009.
15. Zadeh MK, Zahedi B, Molinas M, Norum LE., “Centralised Stabilizer for Marine DC
Microgrid”, In: Proceedings of the 39th annual conference of the IEEE industrial
electronics society. Vienna, Austria; 2013. p. 3359–63.
16. Zahedi B, Norum LE, Ludwigsen KB., “Optimised Efficiency of All-Electric Ship by
DC Hybrid Power Systems”, J Power Sources. 2014; 255:341–54.
17. Zahedi B, Norum LE., “Modelling and Simulation of All-Electric Ships with Low
Voltage DC Hybrid Power Systems”, IEEE Trans Power Electron 2013;28 (10):4525-37.
35
18. Emadi A, Rajashekara K, Williamson SS, Lukic SM., “Topological Overview of Hybrid
Electric and Fuel Cell Vehicular Power System Architectures and Configurations”, IEEE
Trans Veh Technol 2005;54:763–70.
19. Wirasingha SG, Emadi A.,” Classification and Review of Control Strategies for Plug-In
Hybrid Electric Vehicles”, IEEE Trans Veh Technol 2011;60:111–20.
20. Koot M, Kessels J, de Jager B, Heemels W, van den Bosch W, Steinbuch M., “Energy
Management Strategies for Vehicular Electric Power Systems”, IEEE Trans Veh Technol
2005;54:1504–9
21. Silvas E, Hofman T, Serebrenik A, Steinbuch M., “Functional and Cost-Based Automatic
Generator for Hybrid Vehicles Topologies” IEEE/ASME Trans Mechatronics
2015;20:1561–72.
22. McCoy TJ. “Trends in Ship Eelectric Propulsion”, In: Proceedings of the IEEE power
engineering society transmission and distribution conference, vol. 1; 2002. p. 343–6.
23. Gemmell G, McIntyre B, Reilly M., “Is IFEP a Realistic Future Propulsion System for
Flexible Frigates and Destroyers?” In: Proceeding of the 12th international naval
engineering conference. Amsterdam, the Netherlands; 2014. p. 688–700.
24. Castles G, Bendre A., “Economic Benefits of Hybrid Drive Propulsion for Naval Ships”,
In: Proceedings of the 2009 IEEE electric ship technologies symposium. Baltimore,
Maryland, USA; 2009. p. 515–20.
25. Sulligoi G, Castellan S, Aizza M, Bosisch D, Piva L, Lipardi G., “Active Front-End For
Shaft Power Generation and Voltage Control”, In FREMM Frigates Integrated Power
System: Modelling And Validation. In: Proceedings of the 21st International Symposium
on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion. Sorrento, Italy; 2012.
p. 452–7.
26. Wijsmuller M, Hasselaar T., “Optimisation of the Propulsion Arrangement In Emergency
Towing Vessels”, In: Ship and boat international; September/October 2007. p. 34–7.
27. de Waard DS., “Parameterization of Ship Propulsion Drives and Their Fuel Efficiency
Under Different Operational Modes and Configurations” In: Proceedings of the engine
as a weapon VI conference. Bath, UK; 2015. p.44–57.
DATA USULAN DAN PENGESAHAN
PROPOSAL DANA LOKAL ITS 2020
1. Judul Penelitian
RANCANG BANGUN PROTOTIPE DESAIN & KENDALI SISTEM PROPULSI HYBRID PADA KAPAL PATROLI TRIMARAN DALAM RANGKA MAKSIMALISASI PENGAWASAN WILAYAH LAUT INDONESIA
Skema : PENELITIAN PROTOTIPE
Bidang Penelitian : Sains dan Teknologi Kelautan-Kebumian
Topik Penelitian : Pembangunan Kapal
2. Identitas Pengusul
Ketua Tim
Nama : Dr. Eddy Setyo Koenhardono ST,M.Sc.
NIP : 196807011995121001
No Telp/HP : +6281313815257
Laboratorium : Laboratorium Listrik Kapal dan Otomatisasi
Departemen/Unit : Departemen Teknik Sistem Perkapalan
Fakultas : Fakultas Teknologi Kelautan
Anggota Tim
No Nama Lengkap Asal Laboratorium Departemen/UnitPerguruan
Tinggi/Instansi
1Dr. Eddy Setyo Koenhardono
ST,M.Sc.
Laboratorium Listrik Kapal dan Otomatisasi
Departemen Teknik Sistem Perkapalan
ITS
2Juniarko Prananda
S.T., M.T.
Laboratorium Listrik Kapal dan Otomatisasi
Departemen Teknik Sistem Perkapalan
ITS
3
Dr.Eng Muhammad
Badrus Zaman ST., MT.
Laboratorium Keandalan dan
Keselamatan
Departemen Teknik Sistem Perkapalan
ITS
3. Jumlah Mahasiswa terlibat : 2
4. Sumber dan jumlah dana penelitian yang diusulkan
a. Dana Lokal ITS 2020 : 60.000.000,-
b. Sumber Lain : 0,-
Jumlah : 60.000.000,-
Tanggal Persetujuan
Nama Pimpinan Pemberi
Persetujuan
Jabatan Pemberi Persetujuan
Nama Unit Pemberi
PersetujuanQR-Code
09 Maret 2020
Prof. Ir. I Ketut Aria Pria Utama
M.Sc., Ph.D.
Kepala Pusat Penelitian/Kajian/Unggulan
Iptek
Sains dan Teknologi Kelautan-Kebumian
09 Maret 2020
Agus Muhamad Hatta , ST, MSi,
Ph.DDirektur
Direktorat Riset dan Pengabdian
Kepada Masyarakat