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