STUDI AWAL PENGEMBANGAN KAPAL IKAN KATAMARAN DENGAN PENGGERAK HYBRID
Pramudya Imawan Santosa dan I Ketut Aria Pria Utama Jurusan Teknik Perkapalan ITS, Surabaya
ABSTRAK
Teknologi kapal ikan telah berkembang dengan pesat. Kelemahan kapal ikan lambung tunggal, terutama dalam persoalan stabilitas, diantisipasi dengan pengenalan bentuk lambung ganda (katamaran). Di sisi lain, makin langka dan mahalnya bahan bakar fosil diantisipasi dengan penggunaan kembali layar dan pengenalan bentuk- bentuk energi alternatif yang ramah lingkungan seperti pemanfaatan energi matahari dalam bentuk sel surya dan pemanfaatan tenaga gelombang laut dengan sistem yang disebut wave-power mechanism. Paper kali ini menyajikan laporan studi awal tentang pengembangan bentuk-bentuk sumber energi penggerak kapal yang tidak memanfaatkan BBM. Apabila masih menggunakan BBM, maka pemakaiannya sudah sangat dikurangi dengan pengenalan bentuk kombinasi sistem penggerak yang populer dengan sebutan sistem hybrid.
Kata kunci: kapal ikan, lambung katamaran, sistem hybrid, sel surya, mekanisme tenaga gelombang
PENDAHULUAN
Energi merupakan isu yang sangat krusial bagi masyarakat dunia, terutama semenjak terjadinya krisis minyak dunia pada awal dan akhir dekade 1970-an dan pada akhirnya ditutup dengan adanya krisis minyak yang terjadi baru-baru ini, dimana harga minyak melambung sampai dengan lebih dari $140/barel. Dengan kondisi tersebut, saat ini negara-negara di dunia berlomba untuk mencari dan memanfaatkan sumber energi alternaif untuk menjaga keamanan ketersediaan sumber energinya. Begitu juga Indonesia, untuk menjaga ketahanan sumber energinya, maka dikeluarkan keputusan presiden RI No. 5 tahun 2006 tentang kebijakan energi nasional, dimana salah satunya yaitu penggunaan sumber energi yang dapat diperbaharui seperti biofuel, energi matahari, energi angin, energi gelombang dan arus samudra, dan geothermal.
Dalam bidang perkapalan, konsumsi pemakaian bahan bakar fosil cukup besar terutama sebagai bahan bakar untuk menggerakkan kapal. Dengan tingginya harga bahan bakar minyak sama sekali tidak menguntungkan industri pelayaran dan nelayan sebagai pengguna kapal bermotor. Penggunaan bahan bakar untuk kapal bermotor bukan saja tidak ekonomis lagi, akan tetapi juga tidaklah ramah dengan lingkungan.
Kira-kira ada lebih dari 20 juta kapal bermotor di dunia, dan secara luas kapal tersebut telah membuang lebih dari 472,000 metric tons dari gas dan pembakaran minyak kedalam atmosfir. Selain itu ada sekitar 236,000 metric ton dari gas dan minyak setiap harinya terbuang ke air disebabkan rendahnya efisiensi two-stroke motor yang digunakan pada kapal. Tipe motor two-stroke dapat bekerja karena adanya campuran minyak dan gas, yang mempunyai tingkat polusi delapan kali lebih berpolusi
dibandingkan dengan mesin standar four-stroke engine. Emisi CO2 dari berbagai jenis bahan bakar berbeda-beda (Gambar 1).
Gambar 1. Emisi CO2 dari berbagai jenis bahan bakar (Cahyono Adi, 2009) Bagaimanapun, penggunaan bahan bakar fosil oleh kapal telah mencemari laut, karenanya pengembangan teknologi kapal yang ramah lingkungan tidak bisa ditunda lagi. Saat ini negara-negara maju banyak mengembangkan desain-desain kapal yang memanfaatkan sumber energi alternatif, seperti energi matahari, angin dan gelombang laut.
Konsep pengembangan kapal yang ramah lingkungan bisa ditinjau dari tiga aspek yaitu pertama, aspek pengembangan energi alternatif yang menggantikan atau mengurangi fungsi bahan bakar fosil dalam menggerakan motor kapal; kedua, aspek pengembangan sistem penggerak kapal (motor dan baling-baling) yang tidak mencemari lingkungan laut; dan ketiga, pengembangan badan kapal yang bisa memperkecil tahanan kapal dan memperbaiki olah gerak kapal. Dalam rancang bangun kapal yang ramah lingkungan ketiga aspek tersebut menjadi bahan pertimbangan yang penting sekaligus menjadi fokus perhatian dalam merancang kapal ikan yang ramah lingkungan, hemat bahan bakar dan berkinerja yang baik.
Permasalahan utama dalam pengembangan kapal hybrid bertenaga angin, surya dan gelombang laut yang hemat bahan bakar, ramah lingkungan, dan berkinerja baik ini dapat dijelaskan sebagai berikut:
Merencanakan bentuk badan kapal yang memiliki tahanan kapal yang kecil, stabilitas yang baik dan kinerja olah gerak yang baik dalam rangka menjalankan fungsi sebagai kapal ikan.
Merencanakan bentuk dan dimensi layar yang efisien dan efektif
Merencanakan sistem pembangkit listrik kapal dari tenaga surya yang mencukupi kebutuhan mesin bantu dan perlengkapan elektronik lainnya di kapal.
Merencanakan sistem flap foil yang efisien dan efektif.
Tujuan tulisan ini yaitu untuk mendapatkan konsep kapal ikan katamaran dengan sumber energi penggerak alternatif yaitu matahari, angin dan gelombang laut.
METODE
Metodologi yang dikembangkan untuk mendapatkan konsep kapal ikan katamaran dengan sumber energi penggerak alternatif yaitu matahari, angin dan gelombang laut diperlihatkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Bagan Pemikiran HASIL DAN PEMBAHASAN
Kapal Katamaran
Lambung kapal katamaran yang terpisah memiliki bentuk lambung (demihull) yang tipis/pipih dapat memperkecil gangguan permukaan air (disturbance on the free surface). Hal ini dengan sendirinya dapat memperkecil hambatan kapal. Disamping itu, dengan konfigurasi lambung yang terpisah akan memberikan momen inersia yang besar sehingga menghasilkan kemampuan stabilitas yang cukup baik dengan sudut akselerasi gerakan rolling yang kecil.
Pada dasarnya, penampang lambung ganda katamaran memiliki dua bentuk yaitu lambung yang simetris (symmetrical catamaran) dan tak simetris (asymmetrical catamaran). Lambung simetris memiliki bentuk lambung (body plan) yang sama terhadap garis tengahnya (centerline) dan memiliki sudut masuk dan luar (dead rise) yang sama, sebagaimana yang diperlihatkan pada Gambar 3 dan 4.
Gambar 3. Bentuk Lambung Simetris
Tenaga surya Kapal katamaranl
Solar sel
Desain kapal Hybrid
Tenaga gelombang
Sistem Flap foil Tenaga
angin
Layar
Studi literatur & Survey
Sedangkan lambung tak simetris tidak memiliki karakteristik tersebut. Lambung tak semitris ini memiliki sisi bagian dalam pada bidang vertikal berbentuk datar (flat).
Tipe lambung ini dapat memperkecil efek interferensi hambatan yang terjadi di antara kedua lambung kapal katamaran.
Gambar 4. Bentuk Lambung Tidak Simetris
Secara umum, konsep konstruksi kapal katamaran terdiri atas tiga bagian struktur:
Lambung (hull) sebagai daya apung (bouyancy) dan akomodasi sistim propulsinya.
Struktur penghubung (cross structure) sebagai penguat bidang transversal (transversal strength)
Bangunan atas (super structure) yang terletak diatas struktur penghubung sebagai geladak.
Desain lambung katamaran merupakan hal yang sangat esensi dari bagian lainnya untuk memprediksi besarnya hambatan dan kebutuhan tenaga mesin pada kapal katamaran. Saat ini, banyak dijumpai desain kapal katamaran dengan konfigurasi dan dimensi yang bervariasi, dimana karakteristik desainnya sangat tergantung pada misi dan fungsi operasionalnya.
Tenaga penggerak kapal
Konsep umum dari sistem penggerak kapal adalah mengubah energi bahan bakar menjadi gaya dorong yang berguna untuk mengatasi tahanan kapal pada kecepatan yang diperlukan. Molland dkk. (2011) menyatakan kapal yang bergerak maju diatas gelombang akan mengalami suatu perlawanan yang disebut tahanan. Tahanan tersebut merupakan gaya fluida yang melawan gerakan kapal, dimana sama dengan komponen gaya fluida yang bekerja sejajar dengan sumbu gerakan kapal. Berdasarkan pada proses fisiknya, Couser dkk (1997) mengemukakan bahwa tahanan pada kapal yang bergerak di permukaan air terdiri dari dua komponen utama yaitu tegangan normal (normal stress) dan tegangan geser (tangential stress) fluida yang bekerja pada lambung kapal dibawah permukaan air.
Gambar 5. Diagram Komponen Hambatan Kapal (Couser dkk., 1997) Formulasi untuk memprediksi hambatan dan gaya dorong pada lambung kapal dijelaskan berikut ini.
Hambatan kapal:
RT=1/2.ρ.V^2.WSA.Ct (1)
Keterangan :
RT=Hambatan total ρ=Massa jenis air
WSA=Luas permukaan basah
Ct=Komponen tahanan total Katamaran
Ct=(1+βK)+CA)Cf+τCw , untuk demihull terisolasi Insel & Molland menentukan nilai β=1
Kemudian daya efektif dapat dihitung berdasarkan Persamaan 2.
PE=RT.Vs (2)
Keterangan :
PE = daya yang digunakan untuk mengatasi Tahanan terhadap gerakan kapal pada kecepatan tertentu
Vs = kecepatan kapal
Selanjutnya daya dorong dihitung berdasarkan Persamaan 3.
T=RT/(1-t) (3)
Keterangan :
T = Gaya dorong (Thrust)
t = Thrust deduction fraction = 0,375CB-0,1885D / (B.T)^1/2
Layar
Energi angin ini telah dimanfaatkan sejak dahulu sebelum ditemukannya motor kapal melalui penggunaan layar yang berfungsi menangkap angin dan kemudian merubahnya menjadi resultan gaya yang mampu mendorong kapal kedepan. Sekalipun penggunaan layar pada kapal telah ditinggalkan orang dewasa ini, namun seiring dengan melambungnya harga minyak dunia mendorong orang melihat ulang penggunaan layar
dalam memanfaatkan energi angin yang tidak pernah habis ini untuk mendorong kapal.
Penelitian tentang teknologi layar ini sebenarnya terus berjalan hingga sekarang dengan fokus perhatian pada pengembangan bentuk-bentuk layer (lihat Gambar 6-13) yang efisien dalam menghasilkan resultan gaya, stabilitas kapal akibat pemasangan layar dan pengembangan mekanisme pengoperasian layar diatas geladak.
Gambar 6. Berbagai Desain Layar Yang Telah Dikembangkan Hingga Saat Ini (Yoshimura, 2002)
Gambar 7. Layar Fleksibel (Soft Sail) Dengan Bentuk Persegi (Square Sail)
Gambar 8. Kapal Dynaship Yang Menggunakan Layar Fleksibel (Soft Sail)
Dengan Bentuk Persegi
Gambar 9.Penumpang Modern “Wind Star” Menggunakan Layar Fleksibel Dengan Bentuk Segitiga
Gambar 10. Kapal Bulk Carrier “Usuki Pioneer” Dengan Panjang 152 M, Menggunakan Layar Kaku (Rigid Sail), 2009
Gambar 11. Kapal Tanker “Shin Aitoku Maru” Dengan Panjang 62m, Memiliki Dua Layar Kaku Yang Berbentuk Persegi
Gambar 12. Tipe Layar “Sky Sail”
Gambar 13. Kapal Layar Motor Yang Pernah Dikembangkan Di Indonesia
Sel Surya
Energi surya sebagai sumber energi penggerak kapal juga sudah cukup lama dikembangkan yaitu sejak dikenalnya sel surya yang bisa mengubah energi panas matahari menjadi energi listrik. Pemanfaatan energi surya yang dikonversikan menjadi tenaga listrik dengan menggunakan Photovoltaic (Solar sel) ini dapat disimpan dalam battery sebagai sumber penggerak motor dan memutar propeller sehingga kapal dapat bergerak maju. Kapal yang bergerak dengan memanfaatkan energi surya ini umumnya dikenal dengan sebutan Solar Ship (Kapal Surya). Dalam perancangan Kapal Surya ada tiga aspek teknis yang menjadi pertimbangan agar kapal yang direncanakan memiliki kinerja yang baik. Ketiga aspek itu meliputi: pertama, perancangan sistim elektrik (listrik) yang menjamin ketersediaan energi listrik sebesar-besarnya; kedua, perancangan sistim mekanik yang efisien untuk mentransmisikan energi elektrik yang ada menjadi energi yang menggerakkan motor kapal; dan ketiga, perancangan hidrodinamik yang menjamin bentuk badan kapal bertahanan kecil dan mampu ber-olah gerak dengan baik. Penentuan setiap aspek utama ini harus selalu memperhatikan dan memenuhi aspek lainnya, sehingga proses iterasi terus menerus harus dilakukan sampai didapatkan nilai optimasi yang diinginkan. Sebagai gambaran, perencanaan sistem elektrik haruslah menjamin ketersediaan energi listrik untuk menggerakkan motor kapal. Pada tahap berikutnya motor kapal yang akan ditentukan harus melihat sistem elektriknya dan bentuk badan kapal serta sistem propulsi yang ditentukan sebelumnya.Pengembangan teknologi surya sebagai pemasok energi kapal telah berkembang dengan pesat, dan akhir tahun 2008 Jepang telah meluncurkan kapal kargo bertenaga surya pertama di dunia. Kapal sepanjang 200 meter tersebut digunakan untuk
mengangkut mobil-mobil buatan Jepang. „Auriga Leader‟ (nama kapal kargo tenaga surya itu) merupakan hasil proyek gabungan Nippon Yusen K.K. sebuah perusahaan kapal dengan distributor minyak Jepang, Nippon Oil Corp. Kapal seberat 60.213 ton itu mampu mengangkut sekitar 6.400 mobil sekaligus. Sebelumnya telah ada kapal surya yang dibangun dalam berbagai jenis yang umumnya berukuran dan berkapasitas angkut kecil, seperti di Australian, dll. Sekalipun penelitian tentang kapal surya telah dimulai di Indonesia, namun penelitian yang masif tentang topik ini masih jauh tertinggal dibandingkan dengan pengembangan teknologi kapal surya oleh negara-negara maju.
Daya yang dihasilkan oleh solar sel/panel maksimum diukur dengan besaran Wattpeak (Wp), yang konversinya terhadap Watthour (Wh) tergantung intensitas sinar matahari yang mengenai permukaan panel, selanjutnya daya yang dikeluarkan oleh solar sel/panel adalah daya panel dikalikan lama penyinaran. Jumlah kebutuhan solar panel harus ditentukan berdasarkan daya beban yang dibutuhkan motor listrik yaitu 84 Ampere, juga harus diperhatikan berat dan tata letak solar panel berdasarkan dimensi atap kapal.
Mekanisme tenaga gelombang
Energi gelombang laut dimanfaatkan untuk menggerakkan sistem flap/foil mekanis yang menghasilkan energi kinetik untuk mendorong kapal (lihat contoh kasus Suntory Mermaud II) (Utama, 2010) Pemanfaatan energi gelombang yang dikonversikan menjadi energi kinetik mengunakan Teori Strip. Seperti diketahui teori strip sudah cukup lama digunakan untuk menghitung gaya-gaya respon yang bekerja pada sebuah kapal sebagai akibat dari adanya eksitasi gelombang (Bhattacaryya, 1978;
Rawson dan Tupper, 1994). Dengan pendekatan ini maka akan dihitung apa yang disebut amplitudo gerakan berdasarkan frekuensi gelombang dan encounter dan dengan menggunakan rasio amplitudo terhadap amplitudo gelombang itu sendiri (yang dikuadratkan) maka akan diketahui RAO (response amplitude operator) dari gerakan tersebut. Perhitungan luasan daerah ini bawah RAO terhadap sumber horisontal kemudian menghasilkan respons gerakan kapal.
Konsep kapal layar yang memanfaatkan energi angin, kapal surya yang memanfaatkan energi matahari dan kapal flap foil yang memanfaatkan energi gelombang laut memiliki karakteristik yang khusus dan masing-masing terdapat kelebihan dan kekurangannya. Kapal layar memiliki kelebihan yaitu mengurangi biaya operasional kapal dan ramah lingkungan, sedangkan kelemahannya yaitu pada kecepatan dan arah laju kapal layar yang sangat tergantung pada kondisi angin yang berhembus, dan pengoperasian layar yang tidak mudah. Kapal Surya memiliki kelebihan yaitu beaya operasional yang rendah, mudah pengoperasiannya, dan ramah lingkungan, sedangkan kelemahannya bahwa laju kapal surya ini sangat tergantung pada kondisi penyinaran matahari atau besarnya energi surya yang disimpan dalam battery. Sementara kapal flap foil memiliki kelebihan yaitu mengurangi biaya operasional kapal dan ramah lingkungan, sedangkan kelemahannya yaitu pada kecepatan dan arah laju kapal yang sangat tergantung pada kondisi arus laut.
Pada studi awal ini lebih melihat pada kelebihan dan kekurangan yang ada pada konsep kapal layar, surya dan flap foil, muncul gagasan baru mengkombinasikan aplikasi teknologi layar, sel surya dan sistem flap foil secara bersamaan pada satu kapal, dan konsep kapal ini dikenal dengan kapal hybrid. Secara prinsip konsep Kapal Hybrid adalah kapal bergerak akibat gaya dorong layar dan propeller yang bekerja secara bergantian atau bersamaan. Seperti ketika kapal beroperasi diwilayah pelabuhan/dermaga akan menggunakan teknologi surya, dan setelah kapal berada di laut lepas akan menggunakan teknologi layar dan sistem flap foil. Begitu juga selama berlayar di laut lepas sel surya akan menyimpan energi matahari ke dalam bateray, dan ketika akan sandar di pelabuhan energi pada bateri tersebut yang akan menggerakkan motor kapal. Begitu juga halnya saat berlayar di laut bebas ketika kondisi angin tidak mendukung juga bisa memanfaatkan energi matahari atau mesin penggerak bantu.
Bagian rumit dalam pengembangan kapal hybrid ini adalah pada perancangan aerodinamik layar, yaitu perancangan bentuk layar yang optimum dalam menghasilkan gaya pendorong layar, dan perancangan hidrodinamik yaitu perencanaan bentuk badan kapal yang bertahanan kecil, dan ber-olah gerak yang baik. Perencanaan sistem penggerak motor, baling-baling, transmisi dan sistem elektrik solar cell juga tidak kalah rumitnya. Apalagi perancangan sistem flap foil juga tidak kalah rumitnya. Banyak kapal yang mempunyai hampir sama sistem elektriknya, namun memiliki perbedaan kinerja yang disebabkan oleh karakteristik badan kapal dan sistem penggerak kapal. Dengan demikian gagasan perancangan kapal hybrid yang inovatif dengan maksud menghasilkan kapal yang hemat bahan bakar, ramah lingkungan dan berkinerja baik, merupakan usulan tentang konsep kapal masa depan.
KESIMPULAN
Secara garis besar, studi awal pengembangan kapal hybrid ini dapat disimpulkan sbb:
Aspek pengembangan bentuk badan kapal yang bertahanan kecil, dan ber-olah gerak yang baik, direncanakan bentuk katamaran
Aspek pengembangan bentuk layar yang menghasilkan daya dorong besar dan sederhana dalam pengoperasiannya.
Aspek pengembangan sistem elektrik (photovoltaic panel dan batteray) yang mencukupi kebutuhan sistem penggerak kapal (motor, transmission, steering dan propeller);
Aspek pengembangan sistem flap foil
DAFTAR PUSTAKA
Couser, P. R., Molland, A. F., Armstrong, N. A. dan Utama, I K A P (1997). Calm Water Powering Predictions for High-Speed Catamarans, Procs. of FAST 1997, Sydney, 21-23 Juli.
Couser, P.R., Wellicome, J.F. dan Molland, A. F. (1998), Eksperimental Measurement of Sideforce and Induced Drag on Catamaran Demihulls, International Shipbuilding Progress, Vol. 54, No. 443.
Doctors, L. J. dan Sahoo, P. K. (2005), The Waves Generated by a Trimaran, Procs. of FAST 2005, Saint Petersburg Rusia, June.
Hughes, G dan Cutland, R. S. (1973), Viscous and Wave Components of Ship Model Resistance, Vols. I and II, National Physical Laboratory, Teddington, UK.
Fryer, D. K., Johnson, M. dan Hawkes, P. J. (1994), Testing the Seakeeping Performance of Ship Models in Natural Seas, Internasional Shipbuilding Progress, Vo. 41, No. 425.
Insel, M. dan Molland, A. F. (1992), An Investigation into the Resistance Components of High –Speed Displacement Catamarans, Transactions RINA, Vol. 134.
Molland, A. F. dan Utama, I K A P (1997), Wind Tunnel Investigation on a pair of Ellipsoids in Clase Proximity, Ship Science Report, No. 98, Departement of Ship Science, the University of Southampton, UK.
Molland, A. F., Utama, I. K. A. P. dan Buckland, D. (2000), Power Estimation for High-Speed Displacement Catamarants, Prooceding of MARTC 2000, Surabaya, Indonesia.
Molland, A. F., Wellicome, J. F., Cic, J dan Taunton, D. J. (2000), Experimental Investigation of the Seakeeping Characteristics of Fast Dispacement Catamarans in Head and Oblique Waves, Transactions RINA, Vol. 142.
Utama, I.K.A.P. dan Molland, A. F. (2001), Experimental and Numerical Investigations into Catamaran Viscous Resistence, Procs. of FAST 2001, Southampton UK, September.
Utama, I. K. A. P. (1999), Investigation of the Viscous Resistence Components of Catamarant Form, PhD Thesis, Departement of Ship Science, Univercity of Southampton, Southampton, UK.
Utama, I K A P dan Murdijanto (2004), Analisis CFD Terhadap Perilaku Gerak Kapal Ketika Mendekati Dermaga, Procs. Seminar Nasional Paskasarjana IV, Surabaya, 2 Agustus.
Utama, I K A P (2006b), Analisis Eksperimental Tahanan Kapal Katamaran pada Berbagai Jarak Demihull, Jurnal Penelitian Enjiniring, Vol. 12, No. 1, Januari- April.
Utama, I K A P (2007), Kapal Ikan Trimaran, Seminar Nasional Kelautan III, Surabaya, April.
Utama I K A P, Murdijanto dan Santosa, I G M (2007a), Kapal Riset yang Ekonomis dengan Lambung Katamaran, Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan VII, Surabaya, 15 Nopember.
Utama, I K A P, Murdijanto, Ardianto, H dan Hairul (2007b), Katamaran primadona Kapal Cepat Masa Kini, Seminar Nasional Peluang, Tantangan dan Prospek Transportasi Laut di Indonesia, Surabaya, 5 Desember.
Cahyono Ardi (2009), Pemanasan Global hhtp : //blogodrill.blogspot.com dan html, 16 April 2009
Yoshimura, Y, (2002), Aprospect of Sail-Assisted Fishing Boats, The Japaneses Society Fisheries Science.
