Lecture 5 Agriculture, History of Energy Use I Issue #1: Europes - - PowerPoint PPT Presentation

GEOS 24705 / ENST 24705 / ENSC 21100

Lecture 5 Agriculture, History of Energy Use I

“Lack ¡of ¡energy ¡was ¡the ¡major ¡handicap ¡of ¡the ¡ ancien ¡régime ¡economies” ¡

¡ ¡-­‑-­‑-­‑ ¡F. ¡Braudel, ¡The ¡Structures ¡of ¡Everyday ¡Life ¡

Issue ¡#1: ¡Europe’s ¡energy ¡crisis ¡limits ¡growth ¡

Technology of 18th century was complex

Lathe, late 1700s

Europeans ¡had ¡complex ¡and ¡sophis2cated ¡technology, ¡and ¡an ¡ abundance ¡of ¡industrial ¡uses ¡for ¡energy, ¡but ¡not ¡enough ¡supply ¡

Lift pump design – ancient, robust technology The ¡li: ¡pump ¡

Anima&on ¡from ¡Scuola ¡Media ¡di ¡Calizzano ¡ Same technology used today in

• il wells

also called “sucker rod pump” or “piston pump”

First recorded piston pump is in Renaissance

Grindstone, China from the encyclopedia “Tiangong Kaiwu”, by Song Yingxing (1637)

reproduction from: Donald Routledge Hill: A history of engineering in classical and medieval times

Taccola, 1450

Siena, Italy De ingeneis 1433 (Concerning engines) De machinis 1449 (Concerning machines) but, pumps don’t replace bucket chains in England until 1700s

Rotational

• Grindstones
• Pumps
• Winches
• Bucket lifts
• Spinning wheels
• Lathes, borers, drilling machines (first use)

Linear (reciprocating)

• Hammer-mills
• Beaters
• Bellows
• Saws
• Looms

Linear (non-reciprocating)

• Boats

Uses powered by wind & water include:

Rotational

• Grindstones
• Pumps
• Winches
• Bucket lifts
• Spinning wheels
• Lathes, borers, drilling machines (first use)

Linear (reciprocating)

• Hammer-mills
• Beaters
• Bellows
• Saws
• Looms

Linear (non-reciprocating)

• Boats

Uses powered by wind & water include:

Heating Large-scale wood-burning to make heat for industrial use

Georg Acricola “De res metallica”, Book XII (“Manufacturing salt, soda, alum, vitriol, sulphur, bitumen, and glass”), 1556.

Complex chemical transformations driven by heat were common in Medieval Europe.

Uses powered by wood include Fuel burnt for

• Heating
• Metallurgy
• Glass-making
• Brewing (drying the malt)
• Baking
• Brick-making
• Salt-making
• Tiles and ceramics
• Sugar refining

Fuel burnt for

• Heating
• Metallurgy
• Glass-making
• Brewing (drying the malt)
• Baking
• Brick-making
• Salt-making
• Tiles and ceramics
• Sugar refining

Uses powered by wood include

Heating: industrial furnaces grow larger and larger

Foundries much larger scale in 1700s than in1500s

Georg Acricola “De res metallica”, Book XII (“Manufacturing salt, soda, alum, vitriol, sulphur, bitumen, and glass”), 1556.

Heating: industrial furnaces grow larger and larger

Copper foundry, France

• D. Diderot & J. Le Rond d`Alembert

eds, Encyclopédie méthodique. Paris 1763-1777 & 1783-87.

Foundries much larger scale in 1700s than in1500s

“When ¡the ¡fuel ¡situa2on ¡became ¡difficult ¡in ¡France ¡in ¡ the ¡eighteenth ¡century, ¡it ¡was ¡said ¡that ¡a ¡single ¡forge ¡ used ¡as ¡much ¡wood ¡as ¡a ¡town ¡the ¡size ¡of ¡Chalon-­‑sur-­‑

• Marne. ¡Enraged ¡villagers ¡complained ¡of ¡the ¡forges ¡and ¡

foundries ¡which ¡devoured ¡the ¡trees ¡of ¡the ¡forests, ¡not ¡ even ¡leaving ¡enough ¡for ¡the ¡bakers’ ¡ovens.” ¡ ¡

• ­‑-­‑-­‑ ¡F. ¡Braudel, ¡The ¡Structures ¡of ¡Everyday ¡Life, ¡1979. ¡

The ¡energy ¡crisis ¡in ¡Europe: ¡lack ¡of ¡wood ¡

1700s ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

the ¡18th ¡century ¡technological ¡impasse ¡

All ¡technology ¡involved ¡only ¡two ¡energy ¡conversions ¡

• ¡ ¡Mechanical ¡mo2on ¡à ¡mechanical ¡mo2on ¡
• ¡ ¡Chemical ¡energy ¡à ¡heat ¡

¡

There ¡was ¡no ¡way ¡to ¡convert ¡chemical ¡energy ¡to ¡ mo2on ¡other ¡than ¡muscles ¡(human ¡or ¡animal) ¡ ¡

¡ ¡ ¡– ¡no ¡engine ¡other ¡than ¡flesh ¡ ¡ ¡

Issue ¡#2: ¡the ¡heat-­‑to-­‑work ¡barrier ¡

“Aeneas ¡Sylvius ¡(a:erwards ¡Pope ¡Pius ¡II), ¡who ¡visited ¡ Scotland… ¡in ¡the ¡middle ¡of ¡the ¡fi:eenth ¡century, ¡ men2ons ¡…that ¡he ¡saw ¡the ¡poor ¡people ¡who ¡begged ¡at ¡ churches ¡going ¡away ¡quite ¡pleased ¡with ¡stones ¡given ¡ them ¡for ¡alms. ¡‘This ¡kind ¡of ¡stone ¡… ¡is ¡burnt ¡instead ¡of ¡ wood, ¡of ¡which ¡the ¡country ¡is ¡des2tute.” ¡ ¡ “Within ¡a ¡few ¡years ¡a:er ¡the ¡commencement ¡of ¡the ¡ seventeenth ¡century ¡the ¡change ¡from ¡wood ¡fuel ¡to ¡coal, ¡ for ¡domes2c ¡purposes, ¡was ¡general ¡and ¡complete.” ¡ ¡

• ­‑-­‑-­‑ ¡R. ¡Galloway, ¡A ¡History ¡of ¡Coal ¡Mining ¡in ¡Great ¡Britain, ¡
• 1882. ¡

The ¡energy ¡crisis ¡hit ¡Britain ¡first ¡

1400s ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 1600 ¡

FALSTAFF ¡ What ¡is ¡the ¡gross ¡sum ¡that ¡I ¡owe ¡thee? ¡ ¡ MISTRESS ¡QUICKLY ¡ Marry, ¡if ¡thou ¡wert ¡an ¡honest ¡man, ¡thyself ¡and ¡the ¡ money ¡too. ¡Thou ¡didst ¡swear ¡to ¡me ¡upon ¡a ¡ parcel-­‑gilt ¡goblet, ¡siYng ¡in ¡my ¡Dolphin-­‑chamber, ¡ at ¡the ¡round ¡table, ¡by ¡a ¡sea-­‑coal ¡fire, ¡upon ¡ Wednesday ¡in ¡Wheeson ¡week, ¡when ¡the ¡prince ¡broke ¡ thy ¡head ¡for ¡liking ¡his ¡father ¡to ¡a ¡singing-­‑man ¡of ¡ Windsor, ¡thou ¡didst ¡swear ¡to ¡me ¡then, ¡as ¡I ¡was ¡ washing ¡thy ¡wound, ¡to ¡marry ¡me ¡and ¡make ¡me ¡my ¡lady ¡ thy ¡wife. ¡Canst ¡thou ¡deny ¡it? ¡... ¡

¡

• ­‑-­‑-­‑ ¡W. ¡Shakespeare, ¡Henry ¡IV ¡Part ¡II ¡

Coal-­‑use ¡in ¡Britain ¡

1600 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

Sea-­‑coal: ¡washes ¡up ¡on ¡beach ¡from ¡exposed ¡seams ¡

2013, London Daily Mail: “sea- coalers” lose access to beach they have used for centuries

Switch ¡to ¡underground ¡mining ¡as ¡surface ¡exposures ¡ are ¡exhausted ¡

Children hauling coal from underground mine England 1840s.

Image: the Wellcome Trustees

First shaft coal mines in England early 1600s, common by 1750

Wood ¡à ¡coal: ¡changing ¡an ¡energy ¡system ¡ ¡

Robert Allen, The British Industrial Revolution in Global Perspective

¡ “The ¡miners, ¡no ¡less ¡than ¡the ¡smelters, ¡had ¡their ¡ difficul2es ¡during ¡the ¡seventeenth ¡century, ¡but ¡of ¡a ¡ totally ¡different ¡kind; ¡for ¡while ¡the ¡la]er ¡were ¡suffering ¡ from ¡too ¡li]le ¡fire, ¡the ¡former ¡were ¡embarrassed ¡by ¡too ¡ much ¡water… ¡the ¡exhaus2on ¡of ¡he ¡coal ¡supply ¡was ¡ considered ¡to ¡be ¡already ¡within ¡sight. ¡In ¡1610, ¡Sir ¡ George ¡Selby ¡informed ¡Parliament ¡that ¡the ¡coal ¡mines ¡ at ¡Newcastle ¡would ¡not ¡last ¡for ¡the ¡term ¡of ¡their ¡leases ¡

• f ¡twenty-­‑one ¡years.” ¡

¡

• ­‑-­‑-­‑ ¡R. ¡Galloway, ¡A ¡History ¡of ¡Coal ¡Mining ¡in ¡Great ¡Britain, ¡
• 1882. ¡

The ¡2nd ¡Bri&sh ¡energy ¡crisis: ¡flooding ¡of ¡the ¡mines ¡

1600s ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

¡ “In ¡the ¡year ¡1708 ¡a ¡plan ¡was ¡projected ¡in ¡Scotland ¡for ¡ draining ¡collieries ¡by ¡means ¡of ¡windmills ¡and ¡pumps... ¡

• ne ¡John ¡Young, ¡a ¡millwright ¡of ¡Montrose... ¡had ¡been ¡

sent ¡to ¡Holland ¡at ¡the ¡expense ¡of ¡the ¡town ¡to ¡inspect ¡ the ¡machinery ¡there... ¡Wind ¡mills ¡were ¡erected ¡at ¡ several ¡collieries, ¡but ¡though ¡they ¡were ¡powerful ¡their ¡ ac2on ¡was ¡found ¡to ¡be ¡too ¡intermi]ent; ¡the ¡mines ¡ being ¡drowned ¡and ¡all ¡the ¡workmen ¡thrown ¡idle ¡during ¡ long ¡periods ¡of ¡calm ¡weather. ¡” ¡ ¡

• ­‑-­‑-­‑ ¡R. ¡Galloway, ¡A ¡History ¡of ¡Coal ¡Mining ¡in ¡Great ¡Britain, ¡
• 1882. ¡

Early ¡complaints ¡about ¡intermiNent ¡renewables ¡

• 1. Fuel ¡became ¡scarce ¡even ¡when ¡only ¡used ¡for ¡heat ¡

¡Wood ¡was ¡insufficient, ¡& ¡coal ¡was ¡geYng ¡hard ¡to ¡extract ¡ ¡Surface ¡“sea ¡coal” ¡à ¡deep-­‑sha: ¡mining ¡below ¡the ¡water ¡table ¡

¡

• 2. ¡There ¡were ¡limited ¡ways ¡to ¡make ¡moNon ¡

¡No ¡way ¡to ¡make ¡mo2on ¡other ¡than ¡through ¡capturing ¡exis2ng ¡ mo2on ¡or ¡through ¡muscle-­‑power. ¡ ¡

¡

• 3. ¡There ¡was ¡no ¡good ¡way ¡to ¡transport ¡moNon ¡

¡Water ¡and ¡wind ¡weren’t ¡necessarily ¡near ¡demand ¡ ¡ ¡

The ¡18th ¡century ¡European ¡energy ¡crisis ¡has ¡3 ¡parts ¡ ¡ The ¡only ¡means ¡out ¡of ¡the ¡energy ¡crisis ¡was ¡coal ¡ ¡ ¡ ¡ ¡– ¡but ¡to ¡mine ¡the ¡coal ¡required ¡mo&on ¡for ¡pumps. ¡

The ¡revoluNonary ¡soluNon ¡= ¡break ¡the ¡heat ¡à à ¡work ¡barrier ¡

Newcomen “Atmospheric Engine”, 1712

The ¡revoluNonary ¡soluNon ¡= ¡break ¡the ¡heat ¡à à ¡work ¡barrier ¡ use ¡heat ¡to ¡make ¡ordered ¡moDon ¡

(Note that widespread use & Industrial Revolution followed invention by ~100 years – typical for energy technology)

What ¡is ¡a ¡“heat ¡engine”? ¡

A ¡device ¡that ¡generates ¡converts ¡thermal ¡energy ¡to ¡ mechanical ¡work ¡by ¡exploi2ng ¡a ¡temperature ¡ gradient ¡ ¡ ¡

• Makes ¡something ¡more ¡ordered: ¡ ¡

¡random ¡mo2ons ¡of ¡molecules ¡à ¡ordered ¡ mo2on ¡of ¡en2re ¡body ¡ ¡

• Makes ¡something ¡less ¡ordered: ¡ ¡

¡degrades ¡a ¡temperature ¡gradient ¡(transfers ¡ heat ¡from ¡hot ¡to ¡cold) ¡

Hero ¡of ¡Alexandria, ¡“Trea2se ¡on ¡Pneuma2cs”, ¡120 ¡BC ¡

“lebes”: demonstration of lifting power of steam “aeliopile”

Physics: ¡long ¡understood ¡that ¡steam ¡exerted ¡force ¡

¡

Evapora2ng ¡water ¡produces ¡high ¡pressure ¡ Pressure ¡= ¡force ¡/ ¡area ¡

Physics: ¡condensing ¡steam ¡can ¡produce ¡suc2on ¡force ¡

¡ Low ¡pressure ¡in ¡air2ght ¡container ¡means ¡air ¡exerts ¡force ¡ Same ¡physics ¡that ¡lets ¡you ¡suck ¡liquid ¡through ¡a ¡straw ¡

First ¡commercial ¡use ¡of ¡steam: ¡ the ¡Savery ¡engine ¡

¡

“A ¡new ¡Inven&on ¡for ¡Raiseing ¡of ¡ Water ¡and ¡occasioning ¡Mo&on ¡to ¡all ¡ Sorts ¡of ¡Mill ¡Work ¡by ¡the ¡Impellent ¡ Force ¡of ¡Fire ¡which ¡will ¡be ¡of ¡great ¡ vse ¡and ¡Advantage ¡for ¡Drayning ¡ Mines, ¡serveing ¡Towns ¡with ¡Water, ¡ and ¡for ¡the ¡Working ¡of ¡all ¡Sorts ¡of ¡ Mills ¡where ¡they ¡have ¡not ¡the ¡ benefiN ¡of ¡Water ¡nor ¡constant ¡ Windes.” ¡ ¡ Thomas ¡Savery, ¡patent ¡applica2on, ¡ filed ¡1698 ¡