DIESEL ELECTRIC PROPULSION SEBAGAI ALTERNATIF POWER PLANT PADA KAPAL-KAPAL KOMERSIAL Suyadi Program Diploma III Teknik Perkapalan Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Abstract Suyadi, in paper diesel electric propulsion as alternative power plant at commercial boats explain that the rapid technology development in the field of electronics and computer has recently increased the popularity of Diesel-Electric Propulsion use as the main activator in the ship. The electric-propulsion offers some beneficial aspects compared to Mechanical-Propulsion. Therefore, it is a task for a Marine-engineer to minimize any harm aspects from Diesel-Electric Propulsion through design and operational as well as possible. Technical and economical aspects will be discussed in this paper as the consideration material for choosing this alternative as the power plant in the ship. Key Word : Diesel electric propulsion PENDAHULUAN Pada mulanya Electric-propulsion merupakan sebuah alternatif penggerak utama kapal yang sangat mahal dan kurang effisien. Hal ini terutama disebabkan oleh penggunaan konstruksi motor DC yang besar dan berat. Kapal harus memiliki dua sistem elektrik yang terpisah, satu untuk melayani penggerak utama dan satunya untuk melayani permesinan bantu. Berkaitan dengan perkembangan yang pesat dari penerapan teknologi elektronika dan komputer, penerapan dari sistem DC ke sistem AC, perkembangan kehandalan mesin, ‘marinisasi’ sistem elektronika, dan yang terpenting adalah perkembangan Thyristor-converter, sehingga sekarang ini memungkinkan untuk memperlengkapi sebuah kapal dengan sistem elektrik dengan kapasitas tenaga yang tak terbatas berdasarkan konsep Power-station. PENERAPAN DARI ELECTRIC-DRIVE Secara umum Electric-propulsion diterapkan pada keadaan-keadaan berikut : • Kapal menuntut manouverability yang tinggi. Misal : Ferry, Icebreaker, Tug-boat, Oceanographic vessel, Cable-layer, dan lainlain. • Kebutuhan akan tenaga yang besar pada situasi operasional tertentu. Misal : Fireboat, Drill-ship, Super-tanker, dan lain-lain • Kebutuhan pelayanan akomodasi yang besar Misal : Cruise-liner • Kapal yang menggunakan Non-reverse, multiple prime-mover, dan putaran tinggi. • Kapal yang beroperasi di bawah air. Misal : Kapal Selam
MOTOR DIESEL SEBAGAI ALTERNATIF Ada tiga macam perancangan dengan mernaKai motor diesel, yaitu : • Direct drive • Geared drive • Electric drive Kehandalan dan effisiensi yang tinggi menjadikan motor diesel banyak digunakan sebagai penggerak utama pada sistem electric-propulsion. ANALISA KEUNTUNGAN DAN KERUGIAN DARI DIESEL ELECTRIC PROPULSION Pemilihan sistem propulsi adalah salah satu pertimbangan dasar dalam merancang sebuah kapal. Tetapi hal ini dapat menjadi sangat sulit untuk memuaskan dan mencapai semua kebutuhan secara simultan. Bagaimanapun harus dibuat sebuah design dari sistem yang paling optimal yang memiliki sebanyak mungkin faktor-faktor yang menguntungkan. Distribusi power Pada kapal yang menggunakan sistem Dieselelectric power station, tenaga bantu dan pelayanan kapal adalah secara elektris, karenanya jika sistem propulsi utama juga menggunakan sistem elektris maka semua kebutuhan tenaga di kapal tersebut akan dapat dihasilkan oleh mesin yang sama. Dengan menggunakan beberapa buah Gen-set maka akan memungkinkan untuk menyediakan tenaga listrik secara kontinyu dan teratur. Hal ini juga didukung dengan penggunaan sistem kontrol produksi listrik untuk mengoptimisasi output dari masing-masing generator listrik. Ada beberapa aspek yang berkaitan dengan distribusi power pada sistem ini, yaitu :
49
Performance total dan effisiensi Secara praktis untuk meningkatkan effisiens total dari instalasi adalah dengan menggunakar motor listrik yang paling effisien. Berikut adalal effisiensi dari beberapa permesinan : • Alternator (qA ) 95% - 97% • Synchronous motor (TgMS) 95% - 97% • Asynchronous motor (qMA) 94% - 96% • DC motor (TIMDC) 94% - 96% • Reduction gear ( TlR) ≈ 97% • DC converter (qCC) > 98.5% Dari data-data di atas kita bisa menghitung besarnya effisiensi total (tidak termasuk effisiensi pro peller ), misal pada sistem DC. ηG = ηA x ηL x ηMDC x ηR x ηCC = 84% - 87.5%. Untuk sistem transmisi dari sebuah asynchronou motor dan CPP, performance-nya akan menjadi qG=T1AXT1LXT1MAXT1R=85% - 89% ηG = ηA X ηL X ηMA X ηR = 85% - 89%. Hasil evaluasi diatas menunjukkan bahwa Diesel Electric Propulsion hanya mampu memberikan effisiensi yang sedikit lebih rendah dibanding DMP yang dihubungkan langsung ke poros propeller (atau melalui reduction-gear). Dimana DMP mampu memberikan tingkat effisien lebih dari 95%. Variasi tenaga Sistem DEP dengan multi motor diesel adalah dilengkapi dengan beberapa sistem tenaga yang independen yang mana berhubungan satu sama lain. Pengadaan tenaga listrik dilakukan secara bersama oleh beberapa buah gen-set karenanya variasi tenaga bisa dilakukan lebih cepat. Hal ini sangat berguna untuk kapal-kapal yang memerlukan manuver tinggi, misal DP vessel. Dengan demikian untuk kapal yang mempunyai profil pelayaran tertentu, operator dapat memilih kombinasi engine yang paling sesuai dalam kaitannya untuk menjamin agar kapal dapat berjalan pada effisiensi yang paling optimal. Penyediaan tenaga Pada DEP dengan sebuah sistem yang terdiri dari beberapa unit gen-set, terjadinya insiden kerusakan sebuah gen-set dapat diatasi dengan mengoperasikan gen-set lain (secara otomatis ataupun manual start-up), sehingga tidak akan mempengaruhi operasional kapal. Ini sangat vital pada sebuah DP Vessel yang sedang melaksanakan operasi penyelaman.
50
Reliability dan redundancy DEP memiliki redundancy yang berlipal ganda dalam memproduksi tenaga. Jika terjad kerusakan sebuah motor-induk atau lebih, mash ada cukup tenaga yang tersedia untuk meng operasikan kapal secara aman dibawah kondisi tertentu. Sejumlah motor diesel sebagai mesir bantu adalah bertipe sama sehingga masing-masing dapat diatur pada tingkat operasional yank serendah mungkin. Dengan demikian dapat meningkatkan reliability dari power plant tersebut. Fleksibilitas perancangan kamar mesin Pada kapal dengan sistem Diesel-Mechanica Propulsion (DMP), tempat peletakan mesin utama menjadi sangat terbatas karena kamar mesin juga relatif terbatas. DEP memungkinkan untuk memisahkan motor propulsi dengan penggerak utamanya. Hal ini dalam banyak hal sangr menguntungkan bagi perancang kapal dan pemilik kapal. Sebuah feasibility study yang dilakukan oleh Deltamarin Ltd. pada sebuah kapal penumpang menunjukkan bahwa fleksibilitas dari sebuah DEP dapat menjadi jauh lebih baik dengan meletakkan diesel gen-set jauh di bagian belakang dari bulkhead deck. Pemisahan penuh antara ruang penumpang dan ruang untuk permesinan juga memberikan aspek baru yang sangat menguntungkan terhadap perancangan dan konstruk dari kapal (gambar 8).
Aspek dimensi, berat, dan ruang Konstruksi dari permesinan listrik adalah relatif berat dan besar. Misal motor DC yang dua kali lebih berat dari motor AC. Secara individu mesin listrik nampak sangat berat dan besar, namun jika dilihat dari keseluruhan sistem, DEP lebih menghemat ukuran, ruang, dan berat dibanding sistem DMP. Hal ini terutama disebabkan oleh fleksibilitas penempatan di kamar mesin. Dengan penempatan yang optimal akan memungkinkan untuk mengurangi kebutuhan panjang dari kamar mesin. Misal : Kasus di Product Tanker 36000 DWT (Gambar 9) yang memakai Medium Diesel Power plant 6.5 MW. Dimana ruang mesin bisa diperpendek 13 frame, dan terjadi pengurangan berat sebesar 760 ton.
terutama sistem telekomunikasi, dan sistem transmisi data.
Fuel Consumption Pada kapal-kapal sekarang ini yang beroperasi dengan tingkat pelayanan operasi yang sangat ber variasi (misal Cruise-liner dan Tanker) membuat DEP menjadi lebih menguntungkan dari segi effisiensi pemakaian fuel. Pembebanan yang tinggi dan uniform dari Electric propulsion mengakibatkan sistem ini memberikan kemampuan yang lebih baik untuk Heat recovery, untuk lebih memaksimalkan penggunaan fuel. Aspek Lingkungan Dengan semakin meningkatnya standard kebutuhan kenyamanan penumpang dan ABK maka perlu upaya untuk mengurangi noise dan vibrasi di kapal. DEP memberikan tingkat kebisingan dan getaran yang rendah, karena tanpa adanya reduction gear dan penempatan dari permesinan yang baik. DEP juga memberikan dampak polusi yang lebih rendah. Dimana motor diesel bekerja pada effisiensi optimumnya dengan kecepatan konstan sehingga memberikan performance yang baik terhadap Exhaust gas emmision. Satu hal lagi yang perlu dipertimbangkan di dalam menentukan pemilihan DEP adalah Electromagnetic Interference (EMI). EMI dapat mempengaruhi akurasi dari perlengkapan elektronik,
METODE UNTUK MENGURANGI KERUGIAN DIESEL-ELECTRIC PROPULSION Tiga kerugian dari Diesel-electric propulsion akindibicarakan lebih lanjut di bagian ini. Fransmission losses Beberapa metode untuk mengurangi transmision losses dan meningkatkan effisiensi total adalah : Pemilihan komponen sistem yang paling optimal. Dengan banyaknya model, merk, tipe, dan variasi kapasitas mesin, ini memungkinkan bagi perancang kapal untuk lebih leluasa memilih performance mesin (terutama segi effisiensi) yang paling baik. Berikut adalah Tabel effisiensi total yang diklaim oleh beberapa pembuat mesin. Lebih lanjut kita bisa mempertimbangkan pula pemilihan tipe propeller yang memberikan effisiensi total yang tertinggi untuk sistem DEP. Yang paling menarik dalam hal ini adalah pertimbangan antara pemilihan CPP dan FPP. Pada situasi tertentu FPP memberikan effisiensi 3% lebih besar dari CPP, dan 5% sampai 8% pada Twin screw jika effek tambahan dari Bossing dan Bracket pada CPP masuk dalam perhitungan.
51
Tabel 1 : Total effisiensi
MANUFACTUR TOTAL EFFICIENCY (ηG) DC – Drive AC - Drive ABB 91.2to92.16 SIEMENS 92.64 AEG 91.20 CEGELEC 90.82 THEORITICAL 86.6 to 90.25 87.5 to 91.75 (%)
Pemilihan tipe sistem yang paling optimal Pemilihan masing-masing komponen untuk ber-integrasi menjadi sebuah sistem adalah lebih komplek dan sulit. Kita tidak dapat mempertimbangkan hanya dari satu aspek effisiensi saja. Karenanya pada kapal dengan karakteristik dan kebutuhan tenaga yang tertentu, dapat memilih sebuah sistem diantara 5 sistem yang ada (Lihat Sub bagian 3) yang paling sesuai bagi kapalhtersebut. Effisiensi yang lebih tinggi bisa didapatkan dari kombinasi antara sistem-sistem tersebut. Misal, M/S Chrystal Harmony tidak memakai transformer untuk menghindari penurunan effisiensi.
Pemilihan mode operasi yang optimal. Meskipun effisiensi sistem dibatasi oleh maksimum effisiensi dari masing-masing komponen, namun pemilihan mode operasional adalah penting untuk dilakukan. Misal, pada tegangan motor nominal power factor dari CCV diperkirakan 0,75. Ketika beroperasi pada tingkat pengurangan voltase, maka dihasilkan power factor yang lebih rendah.
Berat dan dimensi DEP nampaknya 10% sampai 30% lebih berat dan memerlukan 20% lebih volume ruang dibandingkan DMP. Namun jika melihat kapal secara keseluruhan, Intergrated DEP menghasilkan badan kapal yang lebih pendek dan kapasitas muatan yang lebih besar. Hal ini antara lain diakibatkan oleh : • Integrasi antara suplai tenaga untuk permesinan bantu dan permesinan utama akan mengurangi berat dan volume dari penggerak utama. • Reversibititas Electric-drive mengurangi kebutuhan akan sebuah sistem CPP atau reverse-coupling. • Fleksibilitas dari perancangan kamar mesin dapat mengurangi volume total penempatan
52
permesinan. Dalam kaitannya untuk meminimalkan berat, bisa dilakukan pemilihan tipe dari motor listriknya. Yang terpenting adalah pertimbangan didalam memilih antara sistem DC dan sistem AC. Sistem DC menggunakan mesin listrik yang 1,5 kali lebih berat dari mesin AC. Misal, motor DC dengan putaran 200 RPM mempunyai berat specific antara 4 - 5 Kg/KW, sedangkan motor AC sekitar 3 Kg/KW pada putaran yang lama.
Electromagnetic Interference Medan EMI diklasifikasikan sebagai Near dan Far tergantung dari jaraknya dari sumber radiasi. Biasanya Long Wave dari harmonic SCR yang berkombinasi dengan shielding yang bagus dari struktur kapal (misal, doorway atau hole dengan diameter 1,5m mampu untuk meredam 30 dB) secara praktis akan mengurangi kemungkinan interferensi dari medan jauh ( Far field ). Beberapa metode untuk mengurangi EMI : • Shielding • Filtrasi • Magnetic coupling • Memilih Power converter ber-pulsa besar
ASPEK EKONOMIS Dari aspek ekonomis, DEP juga mampu berkompetisi dengan sistem DMP. Secara kasar nampaknya sistem DEP membutuhkan biaya investasi yang besar, karena mahalnya permesinan listrik. Namun beberapa keuntungan-keuntungan dari aspek teknis memungkinkan terjadinya banyak penghematan biaya, baik biaya investasi, operasional, maupun perawatan. Sehingga pada umur kapal (lifetime) tertentu, pada akhirnya total biaya akan sebanding dengan sistem DMP. Bahkan pada kasus tertentu, DEP terbukti lebih ekonomis. Misalnya studi. kasus di kapal Tanker Hibernia yang akan dibahas berikut ini.
Capital Cost Dari tabel 2 bisa dilihat perbandingan Capital cost antara DEP dan DMP untuk kapal Tanker Hibernia. Investasi yang besar dari DMP adalah untuk Main engine, shafting dan CPP, rudder, thruster, dan steering-gear. Sedangkan pada DEP investasi sebagian besar untuk diesel gen-set, shafting, propeller, rudder, dan steering-gear. Kedua sistem memakai data harga dari supplier yang sama yaitu CEGELEC Ltd. Dengan mengasumsikan biaya lain-lain adalah sampai (£75.000), maka total capital
cost untuk DMP adalah £8.036.000, dan DEP adalah £6.737.000. Sehingga DEP memerlukan biaya £1.299.000 lebih murah dari DMP. Tabel 2 : Budget biaya dari DMP dan DEP UNIT COST No. OFF BUDGET (Σk) COST (Σk) DMP DEP DMP DEP DMP DEP Main Engines 2438 2 4876 2876 Shafting + 50 1 800 50 CCP FPP 300 1 300 Main Gen sets 180 350 4 5 720 1750 Aux. Gen Sets 100 100 1 1 100 100 Pudder 320 440 2 1 640 440 Steering Geara 242. 300 2 1 485 300 5 Thrusters 170 548 2 3 340 846 Auxiliaries 75 75 etc. TOTAL 8036 6737
Steel Weight Cost Pengurangan panjang kapal yang dihasilkan oLeh fleksibilitas perancangan kamar mesin akan mengurangi LWT dan Displacement kapal Dengan asumsi dimensi B, D, T dan DWT kapaL adalah konstan, maka total pengurangan Steel. weight adalah merupakan fungsi dari L dan Ct saja. Tabe1 3 : Perbedaan Steel-weight cost dari DMP dan DEP REM
UNIT
SHIP PARTICULARS Length BP m Breadth m Depth m Draught m WEIGHT ANALYSIS1” Iteration E-Value Steelwelght ( for Cb = 0.7) tonnes Machinery Weight tonnes Outfit Weight tonnes Deadweight tonnes Displacement tonnes Calculated Cb (at Load Draft) tonnes WEIGHT ANALYSIS2"' Iteration Steelweight Corr'd (for Cb at tonnes T=0.8D) Machinery Weight tonnes Outfit Weight tonnes Deadweight tonnes Displacement tonnes Calculated Cb (at Load Draft) Steelweight Corr'd (for Cb at tonnes T=0.8D) STEELWEIGHT DIFFERENCE NET tonnes GROSS tonnes
DIESEL DIESEL ELECT. 250 44.5 21 16
241.25 445 21 16
16688 19343 1360 2448 120000 143150 0.785
16121 18428 1000 2362 120000 141790 0.805
20196
19429
1360 2448 120000 144003 0.789 20240
1000 2362 120000 142791 0.811 19480
Pengurangan panjang dengan adanya DEP sebesar 8750 mm menghasilkan pengurangan steelweight sebesar 760 ton (813 gross ton). Sehingga harga steel rata-rata : (data 1994). • - Material cost/ton : di UK : £570 di Far East : £ 485 • - Labour cost/ton : di UK : £ 1200 di Far East : £ 1020 Maka, penghematan steel-weight cost pada DEP akan menjadi : Di UK : (£570 + £1200) x 813 ton = £ 1.439.000 Di Far East : (£485 + £1020) x 813 ton = £ 1.223.000 Operasional Cost Annual Fuel Cost MODE OPERASI At Sea Cargo Unload On station In Port Manouvre QueningManouvre Quening – Idle TON/HARI TON/TAHUN
% hari
KONSUMSI FUEL / (ton)
28 4 8 11
DMP 21.79 1.786 5.415 3.794
DEP 22.149 1.659 6.211 4.823
8.16
2.868
2.855
36.75
1.276
1.279
36.93 12704
38.976 13408
Dengan DEP yang beroperasi pada kecepatan konstan, maka permesinan akan bisa sering bekerja pada beban yang optimum. Sehingga DEP memiliki Fuel effisiensi yang lebih rendah dibanding DMP. Kondisi ini berubah drastis pada kapal-kapal tanker sekarang yang memiliki variasi service yang sangat tinggi, seperti misalnya Tanker Hibernia. Tabel 4 menunjukkan perhitungan konsumsi fuel dari masing-masing mode operasional. (100% time = 24 jam dan diasumsikan 1 tahun = 344 hari). DEP diperkirakan memerlukan bahan bakar 2 ton lebih banyak setiap harinya. Dan pertahunnya DEP memerlukan 5,5% lebih banyak bahan bakar dibanding DMP. Dengan asumsi harga bahan bakar £55,9/ton, maka fuel-cost dari DEP menjadi £191.285/tahun lebih besar dari sistem DMP (lihat tabel 5).
760 813
53
Tabel 5 : Perkiraan Annual fuel-cost Fuel (Tons of HFO @ 100 USD / ton) OPERATING PROFIL PROPULSI LONG LONG ON PLANT AVER AVER DESCRIPTI SHORTAGE AGE HAUL HAUL ON HAUL WINT SUMM US$ GB Σ ER ER Twin $2.019. $2.009. $1.929. $1.995. 1.446.1 screw251 979 521 221 60 DMP Single $2.324. $2.312. $2.219. $2.299. 1.254.9 Screw069 027 690 395 85 DEP Differenti $304.8 $302.0 $290.1 $304.17 191.285 al 18 48 69 3
Lubrication Oil Cost Penggunaan minyak pelumas (LO) untuk per mesinan juga merupakan biaya utama dari pengoperasian kapal. DMP dengan slow speed diesel mengkonsumsi minyak pelumas silinder yang mahal, dan relatif sedikit untuk minyak pelumas Crank-case. DEP dengan medium speed diesel tidak memerlukan minyak pelumas yang berbeda antara untuk silinder dan crank-case, namun crank-case memerlukan konsumsi yang tinggi akan minyak pelumas. Data dari CEGELEC Ltd. menunjukkan bahwa tidak banyak perbedaan konsumsi LO antara DEP dan DMP, dimana total biaya untuk LO pertahunnya adalah £118.917 untuk DMP dan £119.608 pada DEP. Maintenance Cost Untuk kasus di Tanker Hibernia, maintenance cost dari. DEP relatif lebih tinggi sedikit dibanding DMP yang menggunakan Slow speed diesel Dalam konteks studi-kasus ini, diasumsikan ma. intenance cost dari medium speed diesel adalah 1,5 kali lebih besar dari slow speed diesel. Dengan mengasumsikan maintenance cost pada slow speed diesel sebesar £1 per MWh maki medium speed diesel akan menjadi £1,5 MWh. Berdasar ini maka total maintenance cos tahunan untuk DMP termasuk main engine dan genset adalah sebesar £309.000 dan ekuivalen untuk DEP adalah sebesar £375.000. Namun banyak hal dari maintenance untuk DEP memungkinkan untuk dilaksanakan oleh ABK ketika kapal sedang beroperasi, sehingga maintenance cost seharusnya lebih bisa dihemat (namun ini sulit untuk dihitung secara harga). Dengan mempertimbangkan hal ini, maka DEP mungkin akan menjadi lebih murah dari segi kebutuhan biaya perawatan. KESIMPULAN • Diesel Electric Propulsion (DEP) menawarkan 5 macam variasi sistem, ini berarti ada 5 alternatif yang dapat dipilih dan
54
•
•
diterapkan di kapal dengan kondisi tertentu. Dengan banyaknya alter natif dari sistem ini, maka akan memungkinkan untuk memilih sebuah sistem yang lebih akural sesuai kebutuhan dan performance dari kapal. Secara umum, DEP memerlukan investasi yang lebih besar dibandingkan sistem DMP. Namun pada kapal tertentu dengan perencanaan yang baik dan teliti, terbukti penggunaan DEP lebih murah. Lebih jauh akan menyebabkan total cost menjadi lebih kecil. Ini berkaitan dengan optimisasi antara pemilihan masing-masing me-sin dan pemilihan sistem sehingga semua aspek (baik teknis maupun ekonomis) yang menguntungkan bisa di maksimalkan dan sebaliknya semua aspek yang merugikan bisa diminimalkan. Pada sisi lain, dimana penerapan DEP terbukti lebih mahal dibanding DMP, maka pertimbangan aspek teknis yang menguntungkan harus dimasukkan pula dalam perhitungan berskala kwalitatif, karena aspek ini pada akhirnya akan juga berkaitan dengan aspek ekonomis pada jangka life-time tertentu. Bagaimanapun tidak mudah untuk menghitung keuntungan teknis dari DEP dalam suatu angka real tertentu. Jadi ada hubungan yang erat antara aspek teknis dan ekonomis dimana kemungkinan adanya extra-cost diatasi oleh keuntungan teknisnya.
DAFTAR SIMBOL AC : Alternating Current CCV : Cycloconverter DC : Direct Current DEP : Diesel-Electric Propulsion DMP : Diesel-Mechanical Propulsion EMI : Electromagnetic Interference ICS : Integrated Control System LCI : Load Commutating Inverter PWM : Pulse Width Modulation ηG : Overall Efficiency ηA : Alternator Efficiency ηL : Cabling Efficiency ηMDC : DC Motor Efficiency ηR : Reduction gear Efficiency ηCC : Converter Efficiency ηMA : Asynchronous motor Efficiency SCR : Silicon Controlled Rectifier
DAFTAR PUSTAKA 1. Arta Rantelin, Variable Speed AC Thruster Drives, The First Station Keeping Symposium February 1990, SNAME, Houston, Texas. 2. Asia Brown Boveri, The Cyclo Propulsion Concept, ABB Product Catalogue, ABB Industry Oy, Helsinki.
3.
4.
Beverley, J.A., Electrical Propulsion Drives, Chap-ter VIII of Marine Engineering, Ed. Hs.rrington, SNAME 1992. Borman, J.B and Sharman, B.P., Electric Propulsion of Passenger Ships and Other Vessels, Trans I Mar E., Vol. 106, part 2, pp. 77 104, 1993.
55
