LAPORAN KEMAJUAN PENELITIAN PASCA SARJANA DANA ITS 2020

(1)

LAPORAN KEMAJUAN

PENELITIAN PASCA SARJANA

DANA ITS 2020

PENGEMBANGAN KAPAL TRIMARAN GREEN ENERGI

UNTUK OPTIMALISASI KEBUTUHAN POWER

Tim Peneliti :

Prof. Ir. I Ketut Aria Pria Utama, M.Sc., Ph.D. (Teknik Perkapalan/FTK)

Dr. Ir. I Ketut Suastika, M.Sc. (Teknik Perkapalan/FTK)

Egi Yuliora, S.T., M.T. (Teknik Perkapalan/FTK/ITS)

Sutiyo, ST. (Teknik Perkapalan/FTK)

(2)

Daftar Isi

Daftar Isi ... i

Daftar Tabel ... ii

Daftar Gambar ... iii

Daftar Lampiran ... iv

BAB I RINGKASAN ... 1

BAB II HASIL PENELITIAN... 10

2.1 Pembuatan Model Kapal ... 10

2.2 Analisis Hambatan dan Daya Mesin Kapal ... 12

BAB III STATUS LUARAN... 13

BAB IV PERAN MITRA (UntukPenelitian Kerjasama Antar Perguruan Tinggi) ... 14

BAB V KENDALA PELAKSANAAN PENELITIAN ... 15

BAB VI RENCANA TAHAPAN SELANJUTNYA ... 16

BAB VII DAFTAR PUSTAKA ... 17

BAB VIII LAMPIRAN... 18

(3)

(4)

(5)

(6)

BAB I RINGKASAN

1.1 Latar Belakang

IMO menetapkan batas atas kandungan sulfur dalam bahan bakar sebesar 0.5% yang diberlakukan mulai 1 Januari 2020 (IMO, 2018), melalui pertemuan ke-72 Komite Perlindungan Lingkungan Laut (MEPC) yang digelar di London pada 9-13 April 2018. Kebijakan ini secara signifikan akan mengurangi jumlah sulfur oksida yang berasal dari emisi kapal. Regulasi ini akan memberikan dampak positif yang besar bagi kesehatan dan lingkungan, khususnya bagi penduduk yang tinggal di dekat pelabuhan dan pantai. Pemerintah Indonesia selaku anggota Dewan International Maritime Organization (IMO) harus melaksanakan setiap ketentuan yang telah dikeluarkan IMO termasuk penerapan aturan Marine Pollution (Marpol).

Sulfur Oksida memiliki 16,4% bagian dari komposisi polutan yang mencemari udara. Sedangkan, komposisi terbesarnya adalah Carbon Monoksida, yaitu sebesar 49,1%, lihat Gambar 1.1. Selanjutnya penyebab utama polusi udara adalah dari kendaraan bermotor yaitu sebesar 46,2%.

ICCT (2013) melaporkan bahwa kegiatan di sektor pelayaran seluruh dunia berkonstribusi menyumbang Gas Rumah Kaca (GRK) sebesar 11%, seperti yang ditunjukkan pada gambar 1.1. Organisasi Maritim Internasional (IMO) melalui PBB mengkoordinasikan keselamatan maritim internasional dan pelaksanaannya dengan melakukan kerja-sama pemerintah dan antar-industri pelayaran untuk meningkatkan keselamatan maritim dan untuk mencegah polusi udara dan air laut.

(7)

Gambar 1.2 Konstribusi pelayaran pada emisi GRK dan konsumsi BBM global (ICCT, 2013).

Terdapat tiga cara bagi kapal untuk memenuhi IMO GSC 0,5% ini. Pertama adalah menggunakan bahan bakar LNG atau bahan bakar cair bertitik nyala rendah (Low Flashpoint Fuel) seperti methanol. Cara kedua adalah dengan menggunakan scrubber (sistem pembersih gas buang). Pemasangan sistem Scrubber harus memenuhi ketentuan dan persetujuan otoritas pelayaran negara bendera. Tidak banyak galangan kapal yang memiliki kualifikasi instalasi scrubber yang diakui. Cara ketiga dalah beralih ke BBM yang berkadar sulfur rendah (low sulphur fuel) di bawah 0.5 persen(Jurnal Maritim, 2018).

Peraturan IMO secara khusus dibelakukan untuk melindungi lingkungan dari polusi gas buang yang disebabkan oleh kapal dari pemakain bahan bakar. Selain ketiga cara tersebut, (Gelling, 2006), Romadhoni dan Utama, (2015) telah melakukan penelitian yang menunjukkan bahwa kapal monohull dengan modifikasi Axe-bow mampu mereduksi hambatan sampai 8-20%. Selanjutnya perkembangan teknologi rancang bangun kapal yang sangat berkembang pesat dengan pengembangan kapal trimaran. Hasil peneletian Murdijanto et al., (2011) menemukan bahwa kapal dengan katamaran dan trimaran dapat memiliki resistensi yang lebih kecil dibandingkan dengan monohull dengan displasmen yang sama. Karakteristik seakeeping kapal multihull memilki olah gerak yang sebanding dengan monohull. Ini mengindikasikan hal yang baik yaitu bahwa katamaran/trimaran untuk sungai adalah kapal yang efisien dan nyaman. Jika prototipe atau kapal nyata dikembangkan bisa menjadi kapal yang sangat efisien serta kapal dengan standar keamanan

(8)

(a) (b)

Gambar 1.3 Jenis Kapal (a) kapal Monohul dengan modifikasi Axe-bow; (b) Kapal Cepat Trimaran

Tantangan terhadap tekanan ekonomi dan aturan lingkungan yang cukup ketat menciptakan kebutuhan akan inovasi baru untuk estimasi daya dorong kapal dan pilihan mesin yang sesuai, serta desain lambung kapal yang optimal untuk bangunan baru. Untuk meminimalkan daya pendorong dapat diatasi pada tahap desain yaitu desain bentuk lambung dan desain propulsor. Metodologi dan prosedur desain kapal yang sesuai, dengan mempertimbangkan faktor ekonomi dan lingkungan untuk kapal masa depan dibahas secara komprehensif oleh Molland et el. (2014).

Salah satu tantangan yang dihadapi oleh naval architects adalah keakurasian dalam memprediksi karakteristik hidrodinamikanya, khususnya pada aspek hambatan, propulsi serta penentuan mesin utama penggerak kapal yang dapat mengurangi pencemaran udara dan lingkungan laut. Penelitian ini difokuskan pada optimalisasi kapal trimaran dengan modifikasi axe-bow yang sesuai dengan perairan Indonesia yang difokuskan pada kajian hambatan, konsumsi bahan bakar dan pengaruhnya terhadap lingkungan.

Perhitungan hambatan kapal dilakukan dengan 2 cara antara lain: kajian numerik dan eksperimental. Kajian numerik dengan simulasi CFD (Computational Fluid Dynamics) menggunakan teknologi komputer berkecepatan tinggi dan menghasilkan penyelidikan model sangat teliti. Kajian Eksperimen merupakan pengujian geometri 3-dimensi ukuran badan kapal dalam skala kecil pada kolam uji (Towing Tank). Hasil yang diperoleh diharapkan dapat memberikan kontribusi dalam memprediksi secara akurat terkait hambatan trimaran yang selanjutnya dapat diaplikasikan untuk menghitung kebutuhan bahan bakar yang diperlukan. Hasil evaluasi peneletian ini berupa kajian hambtan kapal trimaran yang efisien dalam kaitan dengan penentuan kapasitas mesin penggerak kapal yang dapat mengurangi pemakaian BBM serta mampu memenuhi persyaratan IMO dan EEDI.

1.2 Tujuan, Manfaat dan Dampak Kegiatan yang Diharapkan

Tujuan penelitian adalah melakukan analisa dan evaluasi parameter- parameter hidrodinamika dan korelasinya (geometry, flow characteristic dan pengaruh interferensi komponen- komponen hambatan) antara satu dengan lainnya secara sistimatis dan rinci dalam kajian interferensi komponen hambatan kapal Trimaran.

(9)

Adapun tujuan Penelitian ini adalah:

1. Melakukan review dari state of the art pada komponen hambatan lambung trimaran yang simetris dengan konfigurasi bentuk main hull NPL dan Axe-Bow

2. Mengetahui pengaruh jarak S/L secara melintang terhadap hambatan kapal Trimaran dengan modifikasi Axe-Bow.

3. Mengembangkan pengetahuan perihal interaksi dan interferensi komponen hambatan viskos dan gelombang melalui eksperimen model fisik dan simulasi CFD.

4. Meng-identifikasi pengaruh interaksi dan interferensi pada lambung trimaran dan menjelaskan pegaruh tersebut pada komponen-komponen hambatan serta meng-observasi efek hidrodinamika yang terjadi.

5. Menganalisa, mengevaluasi serta mengidentifikasi komponen interferensi hambatan bentuk (form), interferensi hambatan viskos dan interferensi hambatan gelombang melalui kajian yang sistematis dan akurat.

6. Memberikan informasi tentang kebutuhan bahan bakar yang optimal dan estimasi gas buang yang dihasilkan berdasarkan perarutan IMO dan EEDI

Hasil penelitian ini diharapkan dapat memperkaya dan memperkuat data base dalam mempresentasikan pengaruh interferensi komponen hambatan pada lambung kapal katamaran dan selanjutnya dapat diaplikasikan secara lansung dalam perhitungan hambatan yang digunakan untuk penentuan tenaga mesin kapal katamaran pada tahapan desain (preliminary design)

1.3 Tahapan dan Metode Penelitian

Metodologi penelitian yang akan digunakan untuk memecahkan masalah kapal trimaran green energy dan pengaruhnya terhadap lingkungan tersebut dibagi dalam 2 tahapan utama yaitu perhitungan/ simulasi numerik dan pengujian model skala fisik, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.4

(10)

Gambar 1.4 Diagram alur penelitian

1.3.1 Metode Numerik (CFD)

Computational Fluid Dynamics merupakan penyelesaian numerik dinamika fluida (Bertram, 2012). Pada kasus kapal, CFD sangat membantu dalam mengekspresikan fenomena aliran fluida di sekitar lambung kapal, termasuk masalah interferensi dan interaksi komponen hambatan pada lambung katamaran dan multihull (Murdijanto et al., 2011)(Luhulima et al., 2017).

Dalam desain kerjanya, problem perlu dideskripsikan dengan menggambarkan model yang akan dianalisa, sifat-sifat fluida di sekitar model dan penentuan kondisi batasnya. Selanjutnya dalam solver problem akan dihitung dengan pendekatan Navier Strokes yaitu persamaan kekekalan massa, momentum, dan energi pada setiap titik pada grid 2D atau 3D. Dari hasil perhitungan tersebut akan diperoleh hasil output dari simulasi program CFD

(11)

Pada proses pemodelan kapal katamaran, analisa CFD dilakukan dengan bantuan software ICEM CFD dan CFX yang merupakan produk dari ANSYS. ICEM CFD digunakan pada tahap pembuatan geometri lambung tahap meshing baik pada model maupun pada fluida. Sedangkan untuk pengerjaan tahap selanjutnya digunakan CFX. Analisa CFD yang akan dilakukan pada pemodelan lambung katamaran ini adalah pemodelan aliran dan perhitungan besarnya drag/ hambatan pada lambung tersebut, visualisasi aliran fluida. Program CFD terdiri dari tiga tahap yaitu : Pre-processor, Flow Solver (Solution), dan Post-processor.

Keakurasian hasil analisis CFD ditentukan oleh 3 (tiga) faktor (ANSYS, 2013) yaitu : a. Konvergensi, yaitu analisis kebenaran internal dimana tingkat kesalahan yang dirancang dipenuhi oleh model yang dikembangkan. Jika nilai konvergensi / variable value dibawah 10-4 untuk model benam dan 10-5 untuk model free-surface.

b. Studi grid independence, yaitu pengetahuan tentang efisiensi pemakaian grid.

c. Verifikasi, yaitu membandingkan hasil CFD dengan data lain yang ada sehingga secara realistis kebenaran dapat diterima.

Gambar 1.5 memperlihatkan skema perhitungan dengan menggunakan program Ansys CFX. Struktur ANSYS CFX terdiri dari 4 modul software yang memerlukan geometri dan mesh untuk memberikan informasi yang dibutuhkan dalam menampilkan analisa CFD. Komponen ANSYS CFX antara lain ANSYS CFX-Pre sebagai bagian dari Physics Pre-Processor, dilanjutkan dengan ANSYS CFX-Solver yang bertautan dengan ANSYS CFX-Solver Manager sebagai bagian untuk memecahkan atau menjalankan simulasi dan ANSYS CFD-Post yang merupakan modul untuk menampilkan hasil simulasi yang dirangkai dengan berbagai visualisasi aliran.

(12)

Gambar 1.5 Diagran komputasi pada program ANSYS CFX

1.3.2 Metode Eksperimen Model Fisik di Towing Tank

Pengujian model fisik di towing tank dilakukan berdasarkan rekomendasi ITTC (International Towing Tank Conference), baik prosedur pengujian maupun analisa pengukuran. Metode pengukuran hambatan pada model kapal melalui eksperimen di Towing Tank, umumnya, terdiri atas dua metode yang biasa digunakan:

a. Mengukur total hambatan dan mengaplikasikan formulasi empiris untuk hambatan gesek (friction).

b. Mengukur lansung komponen-komponen hambatan dengan menggunakan teknik eksperimen yang kompleks dan pengujian model yang cukup banyak.

Pada penelitian ini, metode pertama yang akan digunakan dengan melakukan teknik dan prosedur pengukuran sebagai berikut:

(13)

- Mengukur besarnya total komponen hambatan (RT) berdasarkan variasi kecepatan dan konfigurasi jarak antara lambung kapal (secara melintang dan membujur), termasuk:

o mengamati refleksi dan interaksi gelombang pada lambung kapal o mengamati aliran dan gelombang disekitar lambung kapal.

o mengamati gelombang depan (bow) dan belakang (stern) yang ditimbulkan oleh mainhull dan sidehull

Total hambatan lambung kapal diukur dengan load cell transducer. Load cell adalah suatu transducer gaya yang bekerja berdasarkan prinsip deformasi suatu material akibat adanya tegangan mekanis yang bekerja. Besar tegangan mekanis berdasarkan pada deformasi yang diakibatkan oleh regangan. Regangan tersebut terjadi pada lapisan permukaan dari material sehingga dapat terukur pada alat sensor regangan atau strain gage (lihat Gambar 1.6). Straingage ini merupakan transducer pasif yang merubah suatu pergeseran mekanis menjadi perubahan tahanan/hambatan.

. Gambar 1.6 Alat ukur stain gage satu sumbu

Dimensi laboratorium uji (towing tank) berukuran 50 m panjang, 3 m lebar dan 2 m kedalam air, sebagaimana yang diperlihatkan pada Gambar 3.4. Kecepatan kereta tarik (towing carriage) maksimum 4 m/detik.

(14)

1.4 Target Luaran

Target Luaran Target luaran yang diusulkan adalah sebagai berikut:

1. Publikasi Jurnal International dengan “Experimental Study Green Energy of Axe-bow Trimaran to Control Marine Polution Under IMO Regulation”, di Journal of Engineering Science and Technology (JESTEC), Scopus Index Q2 (Taylor’s University)

2. Publikasi di Seminar Internasional: “INTERNATIONAL CONFERENCE SUSTAINABILITY AND RESILIENCE OF COASTAL MANAGEMENT, Monday, 30 November 2020, Surabaya

3. Thesis (S2) atas nama Sutiyo, NRP.04111950030005 dengan Judul: “Pengembangan Kapal Trimaran Green Energi Untuk Optimalisasi Kebutuhan Power”

(15)

BAB II HASIL PENELITIAN

2.1 Pembuatan Model Kapal

Pembuatan geometri kapal trimaran dilakukan dengan menggunakan bantuan perangkat lunak design modeler sesuai dengan ukuran utama kapal yang telah didesain. Berikut akan dilampirkan ukuran utama dari kapal trimaran yang digunakan dalam pengujian dapat dilihat pada

Tabel 2. 1.

(16)

Gambar 2.3 Dimensi Kapal Keterangan :

L adalah Panjang kapal B adalah Lebar Kapal

S adalah Jarak Garis tengah Antara Mainhull dan Sidehull LM adalah Panjang Maibhull

BM adalah Lebar Mainhull LS adalah Panjang Sidehul BS adalah Lebar Sidehull

D adalah Selisih Antara LM dan LS

Tabel 2. 1 Ukuran Utama Kapal Rescue Boat

Parameter Unit Model 1 Model 2

LOA m 1,252 1,252 LWL m 1,218 1,252 B m 0,848 0,848 T m 0,067 0,096 H m 0.75 0.75 Displcement kg 6,238 6,238 S(S/L=0.3) m 0,376 0,376 S(S/L=0.4) m 0,501 0,501

Untuk melakukan pengujian hidrodinamika ketiga lambung kapal ini dimodelkan dengan bantuan perangkat lunak permodelan tiga dimensi untuk mendapatkan bentuk lambung (hull form) sehingga nantinya model tersebut akan diuji performa hidrodinamikanya dengan menggunakan perangkat lunak Computational Fluid Dynamic (CFD). Untuk memberikan gambaran terkait bentuk

(17)

model lambung kapal dapat dilihat pada Error! Reference source not found., Error! Reference source not found., yang merupakan ilutrasi tiga dimensi dari model lambung kapal.

2.2 Analisis Hambatan dan Daya Mesin Kapal

Analisis terkait nilai hambatan dari model lambung kapal dilakukan pengujian di Towing Tank, FTK-ITS. Perhitungan hambatan kapal dilakukan pada kecepatan tertentu, pada penelitian ini rentang kecepatan dalam pengujian nilai hambatan kapal yaitu pada Fr=0.15-0.5. Berikut merupakan hasil pengujian hambatan dapat dilihat pada Tabel 2. 2.

Tabel 2. 2 Nilai Hambatan Kapal

Fr Trimaran NPL Trimaran Axe-Bow Trimaran NPL Trimaran Axe-Bow Selisih (%) 0,3 0,4 0,3 0,4 S/L=0,3 S/L=0,4 0,15 0,6 0,6 0,8 0,8 0,7 0,7 -12,5 -15,8 0,20 1,4 1,5 1,6 1,5 1,4 1,3 -10,5 -11,1 0,25 1,6 1,8 2,3 2,1 2,1 2,0 -5,6 -2,0 0,30 2,5 2,5 3,5 3,4 3,1 2,9 -12,9 -13,6 0,4 4,2 4,0 6,3 6,1 6,0 5,6 -4,6 -7,6 0,5 7,8 7,6 9,3 9,6 10,8 9,8 15,7 1,7 Selisih rata-rata -5,1 -8,1

(18)

BAB III STATUS LUARAN

Status Luaran berisi status tercapainya luaran wajib yang dijanjikan dan luaran tambahan (jika ada). Uraian status luaran harus didukung dengan bukti kemajuan ketercapaian luaran di bagian bab Lampiran

(19)

BAB IV PERAN MITRA

(UntukPenelitian Kerjasama Antar Perguruan Tinggi)

(20)

BAB V KENDALA PELAKSANAAN PENELITIAN

Kendala Pelaksanaan Penelitian berisi kesulitan atau hambatan yang dihadapi selama melakukan penelitian dan mencapai luaran yang dijanjikan

(21)

BAB VI RENCANA TAHAPAN SELANJUTNYA

Rencana Tahapan Selanjutnya berisi tentang rencana penyelesaian penelitian dan rencana untuk mencapai luaran yang dijanjikan.

(22)

BAB VII DAFTAR PUSTAKA

Daftar Pustaka disusun dan ditulis berdasarkan sistem nomor sesuai dengan urutan pengutipan. Hanya pustaka yang disitasi pada laporan kemajuan yang dicantumkan dalam Daftar Pustaka.

ANSYS, 2013. ANSYS® Academic Research. ANSYS CFX-Solver Model. Guid. Bertram, V., 2012. Practical Ship Hydrodynamics, Practical Ship Hydrodynamics.

https://doi.org/10.1016/C2010-0-68326-X

Gelling, J.L., 2006. the Axe Bow: the shape of Ships to Come, in: International HISWA Symposium on Yacht Design and Yacht Construction, 19th. Amsterdam, NL, 13-14 November 2006.

IMO, 2018. Gidance on The Development Of A Ship Implementation Plan for The

Consistent Implementation of The 0.50% Sulphur Limitunder MARPOL ANNEX VI. International Maritime Organization ).

Jurnal Maritim, 2018. Mulai 2020, IMO Tetapkan Global Sulphur Cap 0.5 Persen. Milestone Evolusi Pelayaran Dunia? J. Marit. 1–9.

Luhulima, R.B., Sutiyo, Utama, I., 2017. An Investigation into The Correlation Between Resistance and Seakeeping Characteristics of Trimaran at Various Configuration and with Particular Case in Connection with Energy Efficiency. Proc. Int. Symp. Mar. Eng. Oct. 15-19, 2017, Tokyo, Japan.

Molland, A., Turnock, S., Hudson, D., Utama, I., 2014. Reducing Ship Emissions: A Review of Potential Practical Improvements in The Propulsive Efficiency of Future. Trans. RINA IJME 156 A2, 175.

Murdijanto, Utama, I., Jamaluddin, A., 2011. An Investigation Into The

Resistance/Powering and Seakeeping Characteristics of River Catamaran and Trimaran. MAKARA Technol. Ser. https://doi.org/10.7454/mst.v15i1.853

Romadhoni, Utama, I.K.A.., 2015. Analisa Pengaruh Bentuk Lambung Axe Bow Pada Kapal High Speed Craft Terhadap Hambatan Total. KAPAL J. Ilmu Pengetah. dan Teknol. Kelautan; Vol 12, No 2 JuniDO - 10.14710/kpl.v12i2.8351.

Zong, Z., Hong, Z., Wang, Y., Hefazi, H., 2018. Hull form optimization of trimaran using self-blending method. Appl. Ocean Res. https://doi.org/10.1016/j.apor.2018.09.003

(23)

BAB VIII LAMPIRAN

Lampiran berisi tabel daftar luaran (Format sesuai lampiran 1) dan bukti pendukung luaran wajib dan luaran tambahan (jika ada) sesuai dengan target capaian yang dijanjikan

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

(33)

(34)

(35)