Lecture 4 Agriculture, History of Energy Use I Green Revolution: 3x - PowerPoint PPT Presentation

GEOS 24705 / ENST 24705 / ENSC 21100 2016 Lecture 4 Agriculture, History of Energy Use I

Green Revolution: 3x yield increase d Prevented hunger, but at cost in $ and energy 1961 2007 Norman Borlaug, 1914-2009 Yields go with fertilizer use and irrigation born Iowa, college U. Minn. world fertilizer use quadruples Nobel Peace Prize 1970 during Green Revolution Image: Associated Press, 1970 Image: U.N. FAO

Green Revolution: 3x yield increase d Prevented hunger, but at cost in $ and energy Norman Borlaug, 1914-2009 Fertilizer plant born Iowa, college U. Minn. ammonia and urea production Nobel Peace Prize 1970 Image: Associated Press, 1970 Image: Hyosung Power & Industrial Systems

Average arable land/person on Earth is ~2500 m 2 Arable Needed for food (U.S. corn only) Equivalent to ½ of Harper Library Quadrangle

Average arable land/person on Earth is ~2500 m 2 Arable Needed for food (world av. cereal yield) Safety factor of ~ 1/3 if all vegan + no wastage

Average arable land/person on Earth is ~2500 m 2 Arable Needed for food (world av. cereal yield, 1/3 wastage) Safety factor < 1/3 given wastage

Average arable land/person on Earth is ~2500 m 2 Arable Crops for humans Actual crops for people take up 2x as much land – people eat more than 100 W and vegetable calorie yield is less than grain

Average arable land/person on Earth is ~2500 m 2 Arable Crops for humans Crops for animals Feed crops for livestock fill the rest: ~ 12% of Earth surface cultivated

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 ¡N 2 ¡ (with ¡NΞN ¡triple ¡bond) ¡ ¡ Bacteria-­‑mediated ¡N ¡fixa-on ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡N 2 ¡+ ¡6 ¡H + ¡+ ¡6 ¡e − ¡→ ¡2 ¡NH 3 ¡ happens ¡in ¡root ¡nodules ¡of ¡ ¡ Photo: ¡W. ¡ certain ¡plants, ¡including: ¡ Eberhart, ¡ GeZy ¡Images ¡ ¡ • ¡Soybeans, ¡peanuts, ¡peas, ¡ ¡ • ¡Clover, ¡lupines ¡ ¡ Also ¡fundamental ¡to ¡explosives ¡ Violent ¡reac-on ¡as ¡fixed ¡nitrogen ¡goes ¡back ¡to ¡N 2 ¡ ¡ Most ¡explosives ¡nitrogen ¡based ¡(e.g. ¡nitroglycerin, ¡gunpowder, ¡dynamite, ¡ C4 ¡which ¡is ¡mostly ¡nitroamines). ¡ ¡ ¡ ¡ Ammonium ¡nitrate ¡is ¡both ¡a ¡fer-lizer ¡and ¡an ¡explosive. ¡

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 ¡ priority. ¡ ¡ ¡ Ballestas Islands, also called Guano Islands

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 ¡ priority. ¡ ¡ ¡ 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. ¡ ¡

Haber-­‑Bosch ¡process: ¡ ¡ Fritz ¡Haber ¡ Nobel ¡Prize, ¡ ¡ Making ¡ammonia ¡(NH 3 ) ¡from ¡air ¡(N 2 ) ¡and ¡natl. ¡gas ¡(CH 4 ) ¡ 1918 ¡ Currently ¡1% ¡of ¡world ¡ energy ¡use. ¡ ¡ Half ¡the ¡N ¡in ¡your ¡ body ¡came ¡from ¡a ¡ factory ¡like ¡this. ¡

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. P. Hazell, Green Revolution: Curse or Blessing? International Food Policy Research Institute, 2002

Green Revolution benefits not equally distributed sdfd poorest countries have lowest yields 14 12 Yield (t/ha), 2012 10 8 6 4 2 0 20 40 60 80 Data Source: GDP ($), 2012 World Bank

Green Revolution benefits not equally distributed sdfd poorest countries have lowest yields 10.0 Yield (t/ha), 2012 1.0 0.1 0.1 1.0 10.0 100.0 Data Source: GDP ($), 2012 World Bank

Arable land /person is also not equally distributed Data: actually cultivated land/ person. Source: World Bank, for 2009-2013

Arable land /person is not equally distributed Arable/cap (m 2 ) % of land DRC 43,000 >50 used 2500 03 Canada 15,000 05 (?) unused land in Russia 8500 07 poor DRC and low U.S. 6000 19 arable land/ World av. 2600 13 person in rich China produces Saudi Ar. 1400 02 “neo-colonial” India 1400 49 pressure – foreign ownership or Rwanda 1200 46 lease of land China 1100 15 Bang. 500 55 Sources: various internet, unverified. Note that some sources consider “ arable ” to mean “ potentially cultivated ” and others to mean “ actually cultivated ”

How did we build our energy system? d What technologies allowed us to increase primary energy use? THEN ¡ Hunter-gatherers – 100 W / person is food requirement NOW ¡ World average – 2,000 W / person ( … 20 servants)

How did we go from 100 W to 10,000 W? d What technologies allowed us to increase primary energy use? THEN ¡ Hunter-gatherers – 100 W / person is food requirement NOW ¡ Americans – 10,000 W / person ( … 100 servants)

How did energy use change between Medieval times and present day? ? 200 W 1500 W 4500 W 10,000 W From V. Smil

Two radical jumps in energy use over history: rise in production (19 th century)... 200 W 1500 W 4500 W 10,000 W From V. Smil

Two radical jumps in energy use over history: ....and transportation (20 th century) 200 W 1500 W 4500 W 10,000 W From V. Smil

In earliest human history the only “ engines ” were people Maize farmer, somewhere in Africa, 2007 Source: CIMMYT

In earliest human history the only “ engines ” were people Ploughing by hand, Uganda

In most of the world, people quickly adopted more powerful “ bio-engines ” Diderot & d`Alembert eds, Encyclopédie méthodique. Paris 1763-1777 & 1783-87.

More “ bio-engines ” = increased power W.H. Pyne, Microcosm or a pictoresque delineation of the arts, agriculture and manufactures of Great Britain … London 1806.

Horse-engine plough still used in Europe in 1940s Horse drawn plough, northern France, likely 1940s. G.W. Hales; Hutton Archives

Harvesting by hand is tedious and slow Wheat harvest, Hebei Province, China, 2007 (source: www.powerhousemuseum.com)

“ Bio-engines ” and some technology make harvesting much more efficient. 27 horsepower! (or perhaps horse- +mule-power) Horse drawn combine, likely 1910s-20s. Source: FSK Agricultural Photographs

“ Bio-engines ” and some technology make harvesting much more efficient. ~27 horsepower may be practical upper limit Horse-drawn combine, Almira, WA, 1911. W.C. Alexander. Source: U. Wash. library

“ 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 ” ) Ploughing with camels, Egypt, early 1900s Both photos from “ messybeast.com ” , public domain

Rotation: animal powered wheels have a long history First use: grinding Clay millers, W.H. Pyne, London (1806) Grindstone, China from the encyclopedia “ Tiangong Kaiwu ” , by Song Yingxing (1637)

Human powered wheels persisted into the modern era Lathe, late 1700s Japanese water pump, still used in 1950s Rotational motion is a fundamental industrial need … . Grinding is not the only use of rotational motion.

Other sources of rotational kinetic energy: wind and water Vertical-axis Persian windmill, 7 th century (634-644 AD) or later Vertical-axis waterwheel 1500s or earlier

Very early a switch was made from vertical to horizontal axes Pitstone windmill, believed to be the oldest Horizontal-axis waterwheel in Britain.

Pluses & minuses for horizontal axes Post mill diagram, from The Dutch Industrial windmil cogs Windmill , Frederick Stokhuyzen

Pluses & minuses for horizontal axes Plus: * increased efficiency (both wind & water) Minus: * complicated gearing to alter axes * must rotate windmill to match wind dir. Post mill diagram, from The Dutch Industrial windmil cogs Windmill , Frederick Stokhuyzen

What were the needs for mechanical work by mills? anything besides grinding grain?