SLIDE 1
GEOS 24705 / ENST 24705 / ENSC 21100 2016
Lecture 4 Agriculture, History of Energy Use I
SLIDE 2 Norman Borlaug, 1914-2009
born Iowa, college U. Minn. Nobel Peace Prize 1970
Image: Associated Press, 1970
Green Revolution: 3x yield increase
d
Prevented hunger, but at cost in $ and energy
Yields go with fertilizer use and irrigation
world fertilizer use quadruples during Green Revolution
Image: U.N. FAO
1961 2007
SLIDE 3 Norman Borlaug, 1914-2009
born Iowa, college U. Minn. Nobel Peace Prize 1970
Image: Associated Press, 1970
Green Revolution: 3x yield increase
d
Prevented hunger, but at cost in $ and energy
Fertilizer plant
ammonia and urea production
Image: Hyosung Power & Industrial Systems
SLIDE 4 Average arable land/person on Earth is ~2500 m2
Equivalent to ½ of Harper Library Quadrangle
Arable Needed for food (U.S. corn
SLIDE 5 Average arable land/person on Earth is ~2500 m2
Safety factor of ~ 1/3 if all vegan + no wastage
Arable Needed for food (world av. cereal yield)
SLIDE 6 Average arable land/person on Earth is ~2500 m2
Safety factor < 1/3 given wastage
Arable Needed for food (world av. cereal yield, 1/3 wastage)
SLIDE 7 Average arable land/person on Earth is ~2500 m2
Actual crops for people take up 2x as much land – people eat more than 100 W and vegetable calorie yield is less than grain
Arable Crops for humans
SLIDE 8 Average arable land/person on Earth is ~2500 m2
Feed crops for livestock fill the rest: ~ 12% of Earth surface cultivated
Arable Crops for humans Crops for animals
SLIDE 9 Industry: ¡Nitrogen ¡fixa-on ¡– ¡breaking ¡triple ¡N ¡bonds ¡
Nitrogen ¡is ¡fundamental ¡to ¡life: ¡ ¡ Required ¡in ¡all ¡amino ¡acids ¡(proteins). ¡ ¡ Most ¡ecosystems ¡on ¡Earth ¡are ¡nitrogen-‑limited ¡ Hard ¡to“fix” nitrogen ¡because ¡nitrogen ¡wants ¡so ¡strongly ¡to ¡be ¡in ¡N2 ¡ (with ¡NΞN ¡triple ¡bond) ¡ ¡
Bacteria-‑mediated ¡N ¡fixa-on ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡N2 ¡+ ¡6 ¡H+ ¡+ ¡6 ¡e− ¡→ ¡2 ¡NH3 ¡ happens ¡in ¡root ¡nodules ¡of ¡ ¡ certain ¡plants, ¡including: ¡
- ¡Soybeans, ¡peanuts, ¡peas, ¡ ¡
- ¡Clover, ¡lupines ¡
¡ Also ¡fundamental ¡to ¡explosives ¡ Violent ¡reac-on ¡as ¡fixed ¡nitrogen ¡goes ¡back ¡to ¡N2 ¡ ¡ Most ¡explosives ¡nitrogen ¡based ¡(e.g. ¡nitroglycerin, ¡gunpowder, ¡dynamite, ¡ C4 ¡which ¡is ¡mostly ¡nitroamines). ¡ ¡ ¡ ¡ Ammonium ¡nitrate ¡is ¡both ¡a ¡fer-lizer ¡and ¡an ¡explosive. ¡
Photo: ¡W. ¡ Eberhart, ¡ GeZy ¡Images ¡ ¡
SLIDE 10 Industry: ¡Nitrogen ¡fixa-on ¡
¡
In ¡1913, ¡Chile ¡is ¡the ¡world’s ¡largest ¡producer ¡of ¡fixed ¡ nitrogen ¡… ¡from ¡guano. ¡Nitrogen ¡seen ¡as ¡cri-cal ¡na-onal ¡
¡
Ballestas Islands, also called Guano Islands
SLIDE 11 Industry: ¡Nitrogen ¡fixa-on ¡
¡
In ¡1913, ¡Chile ¡is ¡the ¡world’s ¡largest ¡producer ¡of ¡fixed ¡ nitrogen ¡… ¡from ¡guano. ¡Nitrogen ¡seen ¡as ¡cri-cal ¡na-onal ¡
¡ Build-‑up ¡to ¡WWI ¡increased ¡pressure ¡on ¡industrial ¡chemists ¡ to ¡avoid ¡dependence ¡on ¡foreign ¡nitrogen: ¡nitrogen ¡
- independence. ¡Wanted ¡for ¡both ¡food ¡& ¡as ¡explosive. ¡
¡ Synthe-c ¡nitrogen ¡fixa-on ¡invented ¡1909 ¡by ¡Haber, ¡ commercialized ¡by ¡Bosch ¡just ¡before ¡WWI. ¡Contributed ¡to ¡ war ¡effort. ¡Nobel ¡prizes ¡for ¡both. ¡
¡
SLIDE 12 Haber-‑Bosch ¡process: ¡ ¡ Making ¡ammonia ¡(NH3) ¡from ¡air ¡(N2) ¡and ¡natl. ¡gas ¡(CH4) ¡
Currently ¡1% ¡of ¡world ¡ energy ¡use. ¡ ¡ Half ¡the ¡N ¡in ¡your ¡ body ¡came ¡from ¡a ¡ factory ¡like ¡this. ¡
Fritz ¡Haber ¡ Nobel ¡Prize, ¡ ¡ 1918 ¡
SLIDE 13 Green Revolution benefits not equally distributed
sdfd
poorest countries have lowest yields Poor infrastructure, high transport costs, limited investment in irrigation, and pricing and marketing policies that penalized farmers made the Green Revolution technologies too expensive or inappropriate for much of Africa.
Green Revolution: Curse or Blessing? International Food Policy Research Institute, 2002
SLIDE 14 Data Source: World Bank
20 40 60 80 GDP ($), 2012 2 4 6 8 10 12 14 Yield (t/ha), 2012
Green Revolution benefits not equally distributed
sdfd
poorest countries have lowest yields
SLIDE 15 Data Source: World Bank
Green Revolution benefits not equally distributed
sdfd
poorest countries have lowest yields
0.1 1.0 10.0 100.0 GDP ($), 2012 0.1 1.0 10.0 Yield (t/ha), 2012
SLIDE 16 Arable land /person is also not equally distributed
Data: actually cultivated land/ person.
Source: World Bank, for 2009-2013
SLIDE 17 Arable land /person is not equally distributed
Sources: various internet, unverified. Note that some sources consider “arable” to mean “potentially cultivated” and others to mean “actually cultivated”
Arable/cap (m2) % of land
Canada 15,000 05 (?) Russia 8500 07 U.S. 6000 19 World av. 2600 13 Saudi Ar. 1400 02 India 1400 49 Rwanda 1200 46 China 1100 15 Bang. 500 55 DRC 43,000 >50 used 2500 03
unused land in poor DRC and low arable land/ person in rich China produces “neo-colonial” pressure – foreign
lease of land
SLIDE 18 Hunter-gatherers – 100 W / person is food requirement World average – 2,000 W / person (… 20 servants)
THEN ¡ NOW ¡
How did we build our energy system?
d
What technologies allowed us to increase primary energy use?
SLIDE 19 How did we go from 100 W to 10,000 W?
d
What technologies allowed us to increase primary energy use? Hunter-gatherers – 100 W / person is food requirement Americans – 10,000 W / person (…100 servants)
THEN ¡ NOW ¡
SLIDE 20 From
200 W 1500 W 4500 W 10,000 W
How did energy use change between Medieval times and present day?
?
SLIDE 21 From
200 W 1500 W 4500 W 10,000 W
Two radical jumps in energy use over history: rise in production (19th century)...
SLIDE 22 From
200 W 1500 W 4500 W 10,000 W
Two radical jumps in energy use over history: ....and transportation (20th century)
SLIDE 23
In earliest human history the only “engines” were people
Maize farmer, somewhere in Africa, 2007 Source: CIMMYT
SLIDE 24
In earliest human history the only “engines” were people
Ploughing by hand, Uganda
SLIDE 25
Diderot & d`Alembert eds, Encyclopédie méthodique. Paris 1763-1777 & 1783-87.
In most of the world, people quickly adopted more powerful “bio-engines”
SLIDE 26
W.H. Pyne, Microcosm or a pictoresque delineation of the arts, agriculture and manufactures of Great Britain … London 1806.
More “bio-engines” = increased power
SLIDE 27
Horse drawn plough, northern France, likely 1940s. G.W. Hales; Hutton Archives
Horse-engine plough still used in Europe in 1940s
SLIDE 28
Wheat harvest, Hebei Province, China, 2007 (source: www.powerhousemuseum.com)
Harvesting by hand is tedious and slow
SLIDE 29
Horse drawn combine, likely 1910s-20s. Source: FSK Agricultural Photographs
“Bio-engines” and some technology make harvesting much more efficient.
27 horsepower! (or perhaps horse- +mule-power)
SLIDE 30
Horse-drawn combine, Almira, WA, 1911. W.C. Alexander. Source: U. Wash. library
“Bio-engines” and some technology make harvesting much more efficient.
~27 horsepower may be practical upper limit
SLIDE 31
Ploughing with camels, Egypt, early 1900s Both photos from “messybeast.com”, public domain
“Bio-engines” must be suitable for location and task
Ploughing with oxen, Sussex Downs, England, 1902. Oxen are preferred in heavy soil because they have more “pulling power” (what we’d now call “torque”)
SLIDE 32
Rotation: animal powered wheels have a long history
Grindstone, China from the encyclopedia “Tiangong Kaiwu”, by Song Yingxing (1637) Clay millers, W.H. Pyne, London (1806)
First use: grinding
SLIDE 33
Human powered wheels persisted into the modern era
Japanese water pump, still used in 1950s Lathe, late 1700s
Rotational motion is a fundamental industrial need …. Grinding is not the only use of rotational motion.
SLIDE 34
Other sources of rotational kinetic energy: wind and water
Vertical-axis Persian windmill, 7th century (634-644 AD) or later Vertical-axis waterwheel 1500s or earlier
SLIDE 35
Very early a switch was made from vertical to horizontal axes
Pitstone windmill, believed to be the oldest in Britain. Horizontal-axis waterwheel
SLIDE 36
Pluses & minuses for horizontal axes
Industrial windmil cogs Post mill diagram, from The Dutch Windmill, Frederick Stokhuyzen
SLIDE 37
Pluses & minuses for horizontal axes
Plus: * increased efficiency (both wind & water) Minus: * complicated gearing to alter axes * must rotate windmill to match wind dir. Industrial windmil cogs Post mill diagram, from The Dutch Windmill, Frederick Stokhuyzen
SLIDE 38
What were the needs for mechanical work by mills? anything besides grinding grain?
SLIDE 39
Why so many windmills along rivers? .... to pump water from the fields
Luyken, 1694 Source unknown
SLIDE 40
Pumping can be done with rotational motion alone…
Dutch drainage mill using Archimedes’ screw from The Dutch Windmill, Frederick Stokhuyzen
SLIDE 41 Pumping can be done with rotational motion alone… Chain ¡pumps, ¡including ¡bucket ¡chain ¡pumps ¡(R) ¡
From ¡Cancrinus, ¡via ¡Priester, ¡Michael ¡et ¡al. ¡ ¡ “Tools ¡for ¡Mining: ¡Techniques ¡and ¡Processes ¡for ¡Small ¡Scale ¡Mining” ¡ Bucket ¡chain ¡pumps ¡ are ¡seen ¡as ¡early ¡as ¡ 700 ¡BC. ¡ ¡ Common ¡in ¡ancient ¡ Egypt, ¡Roman ¡ empire, ¡China ¡from ¡ 1st ¡century ¡AD, ¡ Medieval ¡Muslim ¡ world, ¡Renaissance ¡
SLIDE 42
Chain pumps need not involve buckets Chain ¡pump ¡cutaway ¡
From ¡Lehman’s ¡
SLIDE 43 …but linear motion allows more efficient pumping The ¡lig ¡pump ¡
AnimaGon ¡from ¡Scuola ¡Media ¡di ¡Calizzano ¡ Same technology used today in
SLIDE 44
Linear motions were needed very early in industrial history
European hammer mill w/ cam coupling, 1556 A.D. Chinese bellows, 1313 A.D.
SLIDE 45 The cam converts rotational to linear motion The ¡knife-‑edge ¡cam ¡
AnimaGon ¡from ¡the ¡University ¡of ¡Limerick ¡ The noncircularity of the cam creates a push at only
cycle
SLIDE 46 The cam converts rotational to linear motion The ¡rocker ¡arm ¡& ¡camshag ¡
AnimaGon ¡from ¡the ¡University ¡of ¡Limerick ¡ The noncircularity of the cam creates a push at only
cycle
SLIDE 47
Gold refining, France. D. Diderot & J. Le Rond d`Alembert eds, Encyclopédie méthodique. Paris 1763-1777 & 1783-87.
Gears and cams let one wheel drive multiple machines
