Melihat Lebih Dekat Teknologi LIB dan AIP Kapal Selam

16 Oktober 2024

Kapal selam kelas Scorpene (image: GWMJ)

Teknologi Fuel Cell AIP (Air-Independent Propulsion) dan Baterai Lithium-Ion/Lithium-Ion Battery (LIB) menghadirkan kemajuan yang menjanjikan dalam penggunaannya sebagai penggerak kapal selam, menawarkan manfaat operasional yang signifikan sekaligus menghadirkan tantangan unik yang perlu dikelola dengan hati-hati. Pada masa kini semakin banyak Angkatan laut dunia menggunakan teknologi Fuel Cell AIP dan baterai Lithium-ion (LIB) pada kapal selam karena kinerja dan efisiensinya yang unggul dibandingkan baterai timbal-asam (Lead-Acid) tradisional. Kedua teknologi tersebut mewakili kemajuan signifikan dibandingkan sistem propulsi diesel-elektrik tradisional, dan dalam banyak kasus, pendekatan hibrida yang memanfaatkan baterai lithium-ion sel bahan bakar dapat memberikan kinerja optimal.

Baterai lithium-ion kapal selam (photo: GWMJ)

A. KEUNGGULAN BATERAI LITHIUM-ION DI KAPAL SELAM

1. Kepadatan dan efisiensi energi lebih tinggi

Baterai lithium-ion menawarkan kepadatan energi yang jauh lebih tinggi, yang berarti daya tahan bawah air lebih lama dan waktu pengisian daya lebih cepat. Hal ini membuat mereka sangat cocok untuk misi jangka panjang dan pemindahan cepat.

2. Mengurangi perawatan dan masa pakai lebih lama

Dibandingkan dengan baterai timbal-asam, baterai lithium-ion memerlukan lebih sedikit perawatan dan memiliki masa pakai lebih lama, sehingga lebih hemat biaya dari waktu ke waktu. 

3. Peningkatan keamanan dan keandalan

Perkembangan baru dalam teknologi lithium-ion, seperti penggunaan bahan kimia besi lithium fosfat (LiFePO4), telah mengatasi masalah keamanan. Baterai ini terlalu rentan terhadap bahaya panas dan kebakaran, yang merupakan pertimbangan penting bagi kapal selam yang beroperasi di lingkungan bawah air yang terbatas.

B. TANTANGAN PENERAPAN BATERAI LITHIUM-ION (LIB)

Meskipun baterai lithium-ion menawarkan banyak keuntungan, baterai ini juga mempunyai beberapa tantangan, khususnya terkait keselamatan serta manajemen pengoperasian dan  pemeliharaan. Kemajuan dalam ilmu material, seperti penggunaan lapisan karbon keras dan keramik, membantu mengurangi risiko ini. Selain itu, mengintegrasikan baterai lithium-ion dengan teknologi propulsi lainnya, seperti sel bahan bakar, dapat semakin meningkatkan kinerja kapal selam. Namun secara keseluruhan, transisi ke baterai lithium-ion mewakili kemajuan teknologi yang signifikan dalam desain kapal selam, serta menjanjikan kemampuan operasional dan efisiensi yang lebih besar bagi angkatan laut yang modern.

Penerapan teknologi baterai Lithium Ion kapal selam kelas Scorpene Evolved (image: Total Energies)

C. PERBANDINGAN BATERAI LITHIUM-ION (LIB) DAN BATERAI FUEL CELL AIP UNTUK KAPAL SELAM

1. BATERAI LITHIUM-ION

a. Kepadatan dan efisiensi energi

1). Kepadatan energi tinggi

Baterai Lithium-ion memiliki kepadatan energi yang tinggi, biasanya sekitar 150-200 Wh/kg, jauh lebih tinggi dibandingkan baterai timbal-asam tradisional yang memiliki kepadatan energi sekitar 30-50 Wh/kg. Kepadatan energi yang tinggi ini memungkinkan kapal selam menyimpan energi dalam volume tertentu, sehingga memungkinkan kapal selam bertahan di bawah air lebih lama dan menempuh jarak yang lebih jauh. Kepadatan energi yang lebih tinggi disebabkan oleh reaksi kimia lithium-ion, dimana ion lithium bergerak antara anoda dan katoda selanjutnya menyimpan dan melepaskan energi secara lebih efisien dibandingkan dengan baterai timbal-asam yang mengandalkan reaksi kimia yang melibatkan timbal dan asam sulfat.

2). Pengisian cepat

Baterai ini dapat diisi lebih cepat dibandingkan baterai timbal-asam karena sifat elektrokimianya. Lapisan elektrolit padat pada anoda baterai lithium-ion memungkinkan transfer lithium-ion dengan cepat, sehingga memungkinkan penyerapan energi lebih cepat. Kemampuan pengisian cepat ini sangat penting untuk pemindahan cepat dan menjaga kesiapan operasional.

b. Pemeliharaan dan Siklus hidup

1). Pemeliharaan lebih rendah

Baterai ini memerlukan lebih sedikit perawatan karena tidak mengalami sulfasi, masalah umum pada baterai timbal-asam dimana kristal-sulfat terbentuk pada pelat baterai, sehingga mengurangi kapasitas dan efisiensi. Hal ini disebabkan oleh adanya keseimbangan reaksi kimia baterai lithium-ion dan tidak adanya elektrolit cair yang dapat menurun seiring waktu berkontribusi terhadap rendahnya kebutuhan perawatan. LIB juga memiliki sistem manajemen baterai (BMS) bawaan yang memantau dan mengelola kesehatan baterai, sehingga semakin mengurangi kebutuhan pemeliharaan. 

2). Umur-layanan lebih lama

Umumnya baterai ini memiliki masa pakai yang lebih lama, sering kali  bertahan hingga 10-15 tahun, dibandingkan dengan 5-8 tahun untuk baterai timbal-asam. Masa pakai yang lebih lama disebabkan oleh masa pakai baterai lithium-ion yang lebih tinggi, yang biasanya dapat menangani antara 500 hingga lebih dari 2000 siklus pengisian-pengosongan tergantung pada bahan kimia spesifiknya. Daya tahan ini dihasilkan dari reaksi elektrokimia yang stabil di dalam baterai dan pengelolaan yang efektif oleh BMS.

Daya tahan penyelaman tanpa muncul ke permukaan kapal selam di ASEAN, kapal selam Scorpene Evolved TNI AL mampu bertahan selama 50-78 hari (image: Lancercell)

c. Pertimbangan keamanan

Salah satu masalah keamanan utama adalah pelarian termal, dimana sel menjadi terlalu panas, sehingga menyebabkan reaksi berantai yang dapat menyebabkan kebakaran atau ledakan. Pelarian termal dapat terjadi karena korsleting internal, pengisian daya berlebih, atau kerusakan fisik. Ketika suhu di dalam sel lithium-ion melebihi ambang batas tertentu, elektrolit dapat terbakar, menyebabkan peningkatan suhu dan tekanan dengan cepat.

Kemajuan seperti penggunaan bahan kimia lithium besi fosfat (LiFePO4), yang lebih stabil secara formal dan tidak terlalu rentan terhadap panas berlebih, telah meningkatkan keamanan. Selain itu, BMS canggih dan sistem manajemen termal membantu memantau dan mengontrol suhu baterai, sehingga mengurangi risiko pelepasan panas.

d. Manfaat operasional

Baterai ini berkontribusi pada pengoperasian kapal selam yang lebih senyap, dibandingkan mesin diesel konvensional yang lebih berisik karena adanya bagian mekanis yang bergerak. Baterai lithium-ion menyediakan tenaga listrik langsung ke sistem propulsi dan onboard kapal selam tanpa memerlukan mesin pembakaran internal. Hal ini menghilangkan kebisingan yang terkait dengan komponen mekanis seperti piston, roda gigi, dan sistem pembuangan, mengurangi ciri akustik kapal selam dan meningkatkan kemampuan siluman.

2. TEKNOLOGI FUEL CELL AIP (AIR INDEPENDENT PROPULTION)

a. Kepadatan dan efisiensi energi

Sel bahan bakar hidrogen menghasilkan listrik melalui reaksi kimia antara hidrogen dan oksigen, hanya menghasilkan air dan panas sebagai produk sampingannya. Reaksi kimia dalam bahan bakar membran penukar proton (PEM) melibatkan pemisahan molekul hidrogen menjadi proton dan elektron di anoda. Elektron bergerak melalui sirkuit eksternal untuk menghasilkan daya, sedangkan proton melewati membran untuk bergabung dengan oksigen di katoda, membentuk air. Proses tersebut dapat mempertahankan pasokan daya secara terus menerus selama bahan bakar tersedia. Selama bahan bakar hidrogen tersedia, sel bahan bakar dapat terus menghasilkan energi tanpa diisi ulang seperti baterai. Sel bahan bakar AIr Independent Propultion (AIP), memungkinkan kapal selam beroperasi tanpa perlu muncul ke permukaan untuk mencari udara, sehingga secara signifikan meningkatkan ketahanan dan kemampuan siluman di bawah air.

Dalam sistem AIP, sel bahan bakar menggunakan simpanan oksigen cair atau oksidator lain untuk menghasilkan listrik di bawah air sehingga menghilangkan kebutuhan untuk muncul ke permukaan atau menggunakan snorkel untuk mengambil oksigen di atmosfer. Hal ini membuat kapal selam yang dilengkapi AIP lebih sulit dideteksi dan dilacak.

Konsep penggunaan AIP pada kapal selam elektrik dapat menurunkan Indiscretion Rate/kapal harus muncul ke permukaan air (image: GWMJ)

b. Pemeliharaan dan Siklus hidup

1). Pemeliharaan kompleks

Memelihara sistem sel bahan bakar memerlukan pengetahuan dan infrastruktur khusus untuk menangani dan menyimpan bahan bakar hidrogen, yang secara logistik dapat menjadi tantangan dan mahal. Infrastruktur yang dibutuhkan meliputi fasilitas produksi, kompresi, penyimpanan dan distribusi hidrogen. Selain itu, sistem sel bahan bakar memerlukan perawatan rutin untuk memastikan berfungsinya komponen seperti membran, elektroda dan katalis. Kebocoran atau kontaminasi apapun dapat mempengaruhi kinerja dan keselamatan secara signifikan.

2). Persyaratan pelatihan

Pengawak sebagai operator dan staf pemeliharaan memerlukan pelatihan yang lama dan intens untuk menangani sel bahan bakar dan sistem terkait dengan aman termasuk penyimpanan dan transfer hidrogen. Hal ini disebabkan hidrogen adalah gas yang sangat mudah terbakar sehingga memerlukan protokol keselamatan yang ketat untuk mencegah kebocoran dan ledakan. Menangani dan memelihara teknologi sel bahan bakar yang canggih juga memerlukan pemahaman mendalam tentang proses elektrokimia dan integrasi sistem.

c. Pertimbangan keamanan

1). Risiko penyimpanan hidrogen

Hidrogen menimbukan resiko penyimpanan dan penanganan yang signifikan karena molekul hidrogen berukuran sangat kecil dan dapat dengan mudah keluar melalui celah atau segel kecil sehingga sifatnya mudah terbakar dan potensi kebocoran serta ledakan. Hal ini memerlukan solusi penyimpanan yang kuat, seperti tangki bertekanan tinggi atau penyimpanan kriogenik, agar dapat menampung hidrogen dengan aman. Selain itu material dan teknik khusus diperlukan untuk mencegah kebocoran dan memastikan penanganan yang aman.

2). Masalah keandalan

Penurunan kinerja pada sel bahan bakar menjadi kurang dapat diandalkan pada kondisi tertentu, dan kinerjanya dapat menurun seiring waktu karena kompleksitas teknologi dan penanganan bahan bakar. Faktor-faktor seperti pengotor bahan bakar, degradasi membran dan keracunan katalis dapat mempengaruhi umur panjang dan efisiensi sel bahan bakar. Masalah-masalah ini memerlukan pemantauan dan pemeliharaan berkelanjutan untuk memastikan kinerja yang konsisten.

Kemampuan jelajah saat menyelam/submerged cruising range (graphic: GWMJ)

d. Manfaat operasional

1). Meningkatkan endurance atau daya tahan

Fuell Cell AIP secara signifikan memperpanjang daya tahan kapal selam di bawah air, memungkinkan operasi yang lebih lama dan lebih rahasia. Hal ini disebabkan sel bahan bakar menghasilkan listrik selama bahan bakar tersedia. Kapal selam yang dilengkapi AIP dapat tetap terendam selama berminggu-minggu atau bahkan berbulan-bulan, dibandingkan kapal selam diesel-listrik konvensional yang membutuhkan waktu berhari-hari. Daya tahan yang diperluas ini meningkatkan fleksibilitas operasional dan kemampuan siluman kapal selam. 

2). Berkurangnya jejak tanda akustik

Seperti baterai lithium-ion, Fuel Cell AIP berkontribusi pada pengoperasian kapal selam yang lebih tenang, sehingga meningkatkan kemampuan siluman. Fuell Cell AIP menghasilkan listrik melalui reaksi kimia tanpa bagian yang bergerak, tidak seperti mesin pembakaran internal yang menghasilkan kebisingan dari komponen mekanis. Hal ini mengakibatkan berkurangnya tanda akustik secara signifikan sehingga membuat kapal selam lebih sulit dideteksi oleh sonar.

Kapal selam diesel berteknologi AIP vs LIB (graphic: Defense Studies)

D. KESIMPULAN

1. Baterai Lithium-Ion (LIB)

Baterai lithium-ion menawarkan kepadatan energi yang lebih tinggi, waktu pengisian yang lebih cepat dan perawatan yang lebih rendah, menjadikannya sangat efisien dan hemat biaya untuk kapal selam modern. Namun hal tersebut menimbulkan risiko keselamatan yang perlu dikelola dengan hati-hati.

2. Fuel Cell AIP

AIP memberikan ketahanan operasional yang lebih lama dan kemandirian dari udara permukaan, yang penting untuk misi jangka panjang dan sembunyi-sembunyi. Peralatan tersebut memerlukan pemeliharaan yang lebih kompleks dan infrastruktur khusus, yang dapat menjadi tantangan logistik dan mahal. 

E. PERTIMBANGAN

1. Kebutuhan Operasional

Pilihan antara baterai lithium-ion dan sel bahan bakar sangat bergantung pada persyaratan operasional spesifik dan profil misi armada kapal selam.

2. Biaya dan Infrastruktur

Pertimbangan biaya, infrastruktur yang tersedia, dan protokol keselamatan memainkan peran penting dalam menentukan teknologi yang paling sesuai. (Kapten Laut (T) Iqbal)

(Majalah Ghora Widya Madya Jaya)