In de zestiende eeuw ontwikkelden ingenieurs een mechanisch alternatief voor het overbrengen van energie over lange afstanden. Netwerken van heen-en-weer bewegende houten balken transporteerden de energie van een waterwiel in een vallei naar mijnbouwmachines op een berg. Deze zogenaamde "Stangenkunsten" werkten tot op een afstand van vier kilometer.
Vanaf de tweede helft van de negentiende eeuw werden de houten balken vervangen door stalen kabels en werd de technologie op grote schaal gebruikt voor het oppompen van olie. Ze wordt op een handvol plaatsen nog steeds rendabel ingezet. Een Stangenkunst is zeer efficiënt en kan daarom een rol spelen in een decentrale, duurzame energievoorziening.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
Voor de komst van elektriciteit gebeurden productie en consumptie van energie op dezelfde plaats. Een windmolen of watermolen produceerde niet alleen energie, maar huisde ook de machines die ermee werden aangedreven. Het gevolg was dat fabrieken of werkplaatsen die mechanische energie nodig hadden alleen maar konden worden gebouwd op plaatsen waar genoeg wind- of waterkracht aanwezig was.
Vooral in de mijnbouw was dat problematisch. De plaats van de ertsen bepaalt ook de plaats van de mijn, en daar is niet noodzakelijk waterkracht aanwezig. (Windkracht was van weinig nut in de mijnbouw).
Stangenkunst in Huttal, Harz-gebergte, 1765. De tekening werd gemaakt door het GeoMuseum van de Technische Universität Clausthal.
De Europese mijnbouw kwam, na de val van het Romeinse Rijk, terug op gang rond de wisseling van het millenium, met name in Duitsland. De Rammelsbergmijnen in de Harz werden geopend in het jaar 968, gevolgd door de Freiberg mijnen in het Ertsgebergte in 1168. Zilver, koper en lood waren de belangrijkste producten van deze mijnen, die tot op het einde van de twintigste eeuw actief zouden blijven.
Water bergop transporteren
Aanvankelijk vroeg de mijnbouw weinig energie, omdat ertsen relatief dicht bij de oppervlakte werden ontgonnen. Maar naarmate de makkelijkst toegankelijke voorraden uitgeput raakten en mijnbouwers dieper onder de grond werden gedreven, ontstond er een nood aan krachtiger machines. Die waren in de eerste plaats nodig om ongewenst water uit de mijnschachten te halen (drainage). Water was de grootste vijand van de mijnwerker: van zodra er dieper werd gegraven dan de grondwaterspiegel, moest een mijn continu voor overstroming worden behoed.
Kunstmatige kanalen en Stangenkunsten werden ook gecombineerd, zoals hier in de Harz in Duitsland.
Water voor het aandrijven van de mijnpompen kon via kunstmatige kanalen van een rivier tot aan de mijnschacht worden gebracht, maar dat was alleen mogelijk als het waterwiel zich op een hoger niveau bevond dan de mijnpomp. Lag de mijn op een berg en de rivier in een vallei, dan was er een methode nodig om de energie van een waterwiel bergop te transporteren.
Scharnierende houten balken
De oplossing werd gevonden in de "Stangenkunst". De nomenclatuur in de mijnbouw is grotendeels van Duitse oorsprong, omdat het hoofdzakelijke Duitse metaalkundigen waren die mijnbouwtechnologie ontwikkelden en die kennis exporteerden.
Een Stangenkunst bestond uit een kilometerslang mechanisme van heen en weer bewegende houten balken, die in de lengte aan elkaar waren vastgemaakt. De balken, waarvan de dikte afhankelijk was van de hoeveelheid energie die werd overgebracht, werden op geregelde afstanden opgehangen aan rechtopstaande houten palen.
Een Stangenkunst bestaande uit één rij houten balken. Jean Errard, 1584.
De ene kant van de constructie werd vastgemaakt aan het waterwiel, de andere kant aan een mijnpomp honderden of duizenden meters verderop. Een krukas zette de circulaire beweging van het waterwiel om in een heen en weer gaande beweging die de houten balken over de gehele afstand deed pendelen. Aan de andere kant werd de horizontale, heen en weer gaande beweging omgezet in een verticale heen en weer gaande beweging voor het aandrijven van een zuigerpomp.
Ontwikkeling van de technologie
De eerste Stangenkunst verscheen in het Ertsgebergte in 1550. Tien jaar later had de technologie de Harz bereikt. In 1590 werd de Stangenkunst geïntroduceerd in Zweden en in 1600 verscheen ze in Italië, Engeland en wat nu België is. In 1700 werd de technologie intensief gebruikt in de Noord- en Centraal-Europese mijnbouw.
Stangenkunsten met een dubbele rij houten balken. Georg von Löhneyss, 1617.
In de loop van de tijd werd de Stangenkunst steeds gesofistikeerder. Eind zestiende eeuw introduceerden ingenieurs een systeem met twee parallelle balken, die elk in tegengestelde richting bewogen. Dat was efficiënter dan het gebruik van slechts één rij balken en bood de mogelijkheid om langere afstanden te overbruggen: in 1700 werden Stangenkunsten tot vier kilometer lang gebouwd.
Aanvankelijk werd de technologie alleen gebruikt in een rechte lijn, maar halverwege de zeventiende eeuw konden Stangenkunsten alle richtingen uit, zowel horizontaal als verticaal.
Een Stangenkunst in Pershyttan, Zweden. Foto: Bengt Oberger.
Hoewel de meeste Stangenkunsten werden gebruikt om waterpompen aan te drijven, werden ze ook ingezet voor het ventileren van mijnschachten (door middel van blaasbalgen), voor het bewerken van ertsen (door middel van stampers), voor het ophalen van ertsen en voor het transporteren van mijnwerkers. Die laatste systemen, die vanaf het begin van de achttiende eeuw opdoken, waren in feite verticale Stangenkunsten. Ertsen of mijnwerkers werden naar boven gebracht door op en neer bewegende balken. Ook de waterpomp zelf was op dat principe gebaseerd.
De Stangenkunst tijdens de Industriële Revolutie
De komst van de stoommachine in de tweede helft van de negentiende eeuw maakte de Stangenkunst in principe overbodig. In tegenstelling tot een waterwiel was een stoommachine niet afhankelijk van de nabijheid van een stroom of rivier, en kon dus altijd vlak naast de mijnschacht worden geplaatst. Maar de Stangenkunst verdween niet. Integendeel zelfs: er werden veel meer Stangenkunsten gebouwd na de uitvinding van de stoommachine, dan ervoor.
Een Stangenkunst met houten balken in Lauthental, Harzgebergte, in werking in 1932. Bron: Technische Kulturdenkmal, C. Matschoss.
Om te beginnen bleven veel bestaande installaties gewoon verder werken. Stoomkracht was duur, zeker op het Europese Continent. Terwijl Engeland en de Verenigde Staten overschakelden op steenkool en stoommachines, bleef in Europa waterkracht (en windkracht) van essentieel belang. In 1900 waren de mijnschachten in de Harz meer dan 1.000 meter diep, terwijl de pompen nog altijd door waterwielen en Stangenkunsten werden aangedreven. Het werkte even goed, en het was goedkoper. Stangenkunsten met houten balken werden in de Europese mijnindustrie gebruikt tot in de jaren 1930.
Een Stangenkunst met stalen kabels in Carloggas, Groot-Brittanië, 1938. Bron: "Steam engines and waterwheels: a pictorial study of some early mining machines".
Daarnaast werden ook nieuwe systemen gebouwd. De Industriële Revolutie bracht sterker en goedkoper ijzer en staal. Daar kon de Stangenkunst van profiteren. Gaandeweg werden houten balken vervangen door ijzeren staven of stalen kabels. Die waren duurzamer, minder onderhouds-intensief, goedkoper, en flexibeler in gebruik. De stalen kabels liepen soms door daken, struiken, bossen en tunnels heen.
Stangenkunsten met stalen kabels, aangedreven door een waterwiel, waren actief in de Harz tot in de jaren 1970. Maar de Industriële Revolutie bracht ook een nieuwe toepassing met zich mee: het oppompen van olie. Het was in de olie-industrie dat de Stangenkunst haar hoogtepunt beleefde. Niet in combinatie met een waterwiel, maar met een stoommachine.
De Stangenkunst in de olie-industrie
De eerste Stangenkunt in de olie-industrie werd gebouwd in Oil Springs, Canada, in 1863. Hoewel de olie daar van goede kwaliteit was, bleef de kwantiteit beperkt. Het opstellen van een stoommachine bij elke bron was niet economisch haalbaar. John Henry Fairbank bouwde daarom een Stangenkunst die de energie van een centraal opgestelde stoommachine verdeelde over een groot aantal ja-knikkers (oliepompen) in de omgeving.
Een Stangenkunst met houten balken in Oil Springs, Ontario, Canada. Bron: Markus Wandel.
Fairbank's technologie verschilde nauwelijks van de Stangenkunsten uit de vorige eeuwen. Hij gebruikte houten balken, net zoals op het einde van de middeleeuwen. Het belangrijkste verschil was dat er een mechanisme werd geintroduceerd om de omwentelingssnelheid van de stoommachine te verlagen.
Een andere toevoeging was een gietijzeren wiel in een houten kader dat heen-en-weer gaande kwartdraaien maakte. Aan het wiel konden meerdere Stangenkunsten worden vastgemaakt, zodat één stoommachine meerdere oliepompen op verschillende locaties kon bedienen.
Een verdeelcentrum van energie in Oil Springs, Ontario, Canada. Bron: "Conservation district study appendix", Oil Heritage Conservation District Plan, The Corporation of the County of Lambton.
Het Canadese systeem werd elders gekopiëerd maar werd uiteindelijk opgevolgd door een gesofistikeerder systeem waarbij de houten balken werden vervangen door stalen kabels. Dat gebeurde voor het eerst in 1879 in Pennsylvania, door Edward Yates.
Stalen kabels
De olievelden in Pennsylvania kwamen in productie omstreeks dezelfde tijd als die in Ontario, maar omdat de productie per boorput er aanvankelijk hoger lag, en er steeds nieuwe bronnen werden ontdekt, werd de olie aanvankelijk opgepompt met één stoommachine per put. Pas later, toen de productie fors terugviel, ontstond de nood aan efficiëntere methodes.
Een Stangenkunst met stalen kabels in Flat Rock, Illinois, VS. De foto dateert van 2003, toen de installatie nog werkte. Bron: Old Iron.
De Stangenkunst maakte voorheen onrendabele putten weer rendabel. Vijf jaar na de lancering, in 1885, werd het systeem algemeen ingezet in Pennsylvania, toen de grootste olieproducent in Noord-Amerika. Bij het begin van de twintigste eeuw was de technologie geperfectioneerd en was de Stangenkunst in gebruik in olievelden wereldwijd.
Opmerkelijke efficiëntie
Het in Pennsylvania ontwikkelde systeem was opmerkelijk efficiënt. Een stoommachine die één oliepomp aandreef, kon dankzij de Stangenkunst tot 45 oliepompen doen werken (al was 10 tot 25 pompen een vaker voorkomend aantal). Het geheim schuilt in het ingenieus benutten van de zwaartekracht. Er is energie nodig om een ja-knikker op te tillen, maar niet om hem opnieuw naar beneden te halen. Daar zorgt de zwaartekracht voor. De zwaartekracht levert bovendien energie op, die benut kan worden om een ja-knikker aan de andere kant van het olieveld op te tillen.
Een Stangenkunst loopt door een bos in Flat Rock, Illinois, VS. De foto dateert van 2003, toen de installatie nog werkte. Bron: Old Iron.
Door telkens twee oliepompen met elkaar te verbinden, ontstond een webachtig patroon waarbij de ene helft van de pompen in een olieveld de andere helft van de pompen aandrijft. De motor moet alleen de energie leveren voor het overwinnen van de frictie tussen de mechanische componenten. Ook het gewicht van de opgehaalde olie moet in rekening worden gebracht.
Behalve een energiebesparing leverde de Stangenkunst in de vroege olie-industrie ook een belangrijke arbeidsbesparing op. Iedere stoommachine moest bemand worden, terwijl in het centrale systeem tot 45 pompen door één man op een centrale plaats konden worden bediend. Individuele pompen konden eenvoudig worden vast- of losgekoppeld aan de stoommachine.
Een ja-knikker aangedreven door een Stangenkunst in Flat Rock, Illinois, VS. De foto dateert van 2003, toen de installatie nog werkte. Bron: Old Iron.
De Amerikaanse versie van de Stangenkunst bleef de dominante technologie voor het ontginnen van secundaire oliebronnen tot in de jaren 1940. Een aantal systemen bleef in gebruik tot de jaren 1960 en 1970, en een handvol kleine installaties werkt nog steeds.
Het meest opmerkelijke is in Oil Springs, waar de Stangenkunst voor het eerst in de olie-industrie werd geïntroduceerd. Een klein olieveld wordt daar na 150 jaar nog steeds met de originele technologie ontgonnen. De meeste Stangenkunsten gebruiken stalen kabels, een aantal werkt nog met heen en weer zwaaiende houten balken.
Een kaart van de nog werkende Stangenkunsten in een van de olievelden in Oil Springs (klik erop om ze te vergroten). De webachtige systemen maken gebruik van stalen kabels, de lineaire systemen van houten balken. Bron: "Conservation district study appendix", Oil Heritage Conservation District Plan, The Corporation of the County of Lambton.
Hoewel er zeker een sentimentele reden is om negentiende-eeuwse technologie te blijven gebruiken -- de eigenaar van de olievelden is een achterkleinzoon van John Henry Fairbank, de uitvinder van het systeem -- is deze plaats geen museum maar een economisch rendabele onderneming. In plaats van de historische technologie zo goed mogelijk te reconstrueren, zoals dat in een museum zou gebeuren, werd ze in de loop van de twintigste eeuw gemoderniseerd. Zo werden de stoommachines vervangen door elektrische motoren, die goedkoper, efficiënter en makkelijker te onderhouden zijn, en werden de metalen hangers uit het houten systeem vervangen door synthetisch touw.
Decentrale Energieproductie
De Stangenkunst kan nog steeds van nut zijn. Het systeem dat op de foto hieronder staat afgebeeld -- en dat nog steeds in gebruik is in Oil springs -- kan een doe-het-zelver in een paar dagen in elkaar schroeven. Met deze opstelling kan één elektrische motor vier machines op verschillende plaatsen doen werken, in plaats van elke machine afzonderlijk aan te drijven.
Waarom zou je dit doen? Ten eerste bespaar je drie elektrische motoren. Ten tweede is er geen behoefte aan batterijen of stopcontacten op elk van die locaties. Ten derde kan je het systeem zo uitbalanceren dat het ene apparaat het andere aandrijft, waardoor je een radicale energiebesparing kan bereiken. De elektrische motor kan ook vervangen worden door een windmolen, een waterwiel, een thermische zonne-installatie of een fietsmachine. In al deze gevallen kan je mechanische energie verdelen zonder omzettingsverliezen.
Toepassingen
Een Stangenkunst kan alleen maar mechanische energie overbrengen via een heen-en-weer-gaande beweging. Ze is niet geschikt voor het overbrengen van een snelle, circulaire beweging, die nodig is voor het aandrijven van de meeste machines.
Desondanks biedt de Stangenkunst een aantal nuttige toepassingen: ze kan ingezet worden voor het oppompen van zowel water als olie (door het aandrijven van een zuigerpomp), voor ventilatie (door het aandrijven van een blaasbalg), en voor het bewerken van allerlei grondstoffen (door het aandrijven van stampers). De heen-en-weer-gaande beweging van een Stangenkunst kan zo gebruikt worden voor onder meer het aandrijven van een zaagmachine, het smeden van ijzer, het bewerken van landbouwgewassen of textielvezels, en het maken van papier.
Kris De Decker
Dit is een samenvatting van twee artikels op de Engelstalige website, waar je meer details en afbeeldingen vindt:
- The mechanical transmission of power (1): Stangenkunst
- The mechanical transmission of power (2): Jerker line systems
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
Verwante artikels:
- Energie uit de kraan: de watermotor
- Geschiedenis van de windmolen: industriële revolutie in de Middeleeuwen
- Schipmolens: drijvende fabrieken op hernieuwbare energie
- Duizend jaar fossiele brandstoffen: de vergeten geschiedenis van turf en steenkool
- België en Nederland voor de Industriële revolutie : stadsplannen
- Het Museum voor de Oudere Technieken: handwerktuigen
- De optische telegraaf: e-mail in de 18e eeuw
- De vergeten toekomst van de fietsmachine: landbouw, industrie en huishoudens op pedaalkracht
- Open source energieproductie: de Solar Fire P32
- Hoeveel olie kost de productie van olie? netto energie analyse
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
|
|
(1)
Wederom een buitengewoon goed geschreven, zeer interessant artikel. Je site behoort tot mijn absolute favorieten. Geweldig hoe je steeds weer de diepte ingaat en meestal met informatie komt die mij geheel of gedeeltelijk onbekend was en me aan het denken zet en/of enthousiast maakt. Dank voor al je inspanningen, Kris!
Geplaatst door: Jurgen | 10 maart 2013 om 11:55
(2)
Ik vind dit ook weer prachtig om te lezen.
Ik heb vroeger autotechniek gedaan en daar kwamen veel diverse technische vakken aan bod, toch vraag ik me weleens af waarom ik nooit aan wertktuigkunde heb gedacht.
Mijn complimenten voor het publiceren van deze info.
Geplaatst door: Roald | 10 maart 2013 om 14:33
(3)
Weer een heerlijk artikel van mijn favoriete site, Dank.
Aan het einde van jouw betoog noem je een aantal toepassingen van de heen en weer gaande beweging, maar je zou met een krukas aan het einde van de Stangenkunst deze beweging toch weer om kunnen zetten naar de circulaire beweging?
Geplaatst door: Bertje B. | 11 maart 2013 om 01:32
(4)
Ik lees iedere keer weer met grote interesse de artikelen op deze site.
Hulde!
Geplaatst door: Jac Langendijk | 11 maart 2013 om 13:17
(5)
Dank voor de complimenten.
Lezer Ton Kaffka verstuurde een filmpje van een werkende Stangenkunst in een openluchtmuseum in Zweden: http://www.youtube.com/watch?v=ycN8nR9SD4w&feature=youtu.be
@ Bertje: dat kan je doen, maar het probleem is dat het resultaat een zeer trage circulaire beweging is.
Geplaatst door: Kris De Decker | 11 maart 2013 om 14:46
(6)
Beste Chris,
ik lees altijd met grote belangstelling je schrijfsels die van uitzonderlijke kwaliteit zijn en getuigen van een originele geest. Nu toch de hoogste tijd om een keer mijn complimenten te uiten en DANK te zeggen.!
Dat we maar lang van je werk mogen blijven genieten en er tevens gebruik van kunnen maken.
Rolf Grooten
Geplaatst door: Rolf Grooten | 11 maart 2013 om 22:19
(7)
Al deze schrijfsels vind ik geweldig leerzaam. Ik kan niet wachten op de volgende.
Geplaatst door: Raymond | 13 maart 2013 om 09:20
(8)
Het woord 'stangenkunst' was voor mij als bijna 80-jarige die zich al jaren heeft ingespannen voor alternatieve technologie onbekend! Ik ervaar dit werkelijk als een tekort aan schoolkennis. En dat maakt Lowtech Magazine zo uniek! Eigenlijk is de educatieve waarde van LTM zo belangrijk, dat de hierin behandelde onderwerpen tezamen een aparte leerrichting in het lager onderwijs zouden moeten worden. te beginnen bij 9, 10 jaar en van hetzelfde belang als taal en rekenen. Je zou het overlevingskennis kunnen noemen.
Sietz Leeflang
Geplaatst door: Sietz Leeflang, stichting de Twaalf Ambachten | 13 maart 2013 om 14:15
(9)
Mooi geschreven artikel over een erg interessante techniektoepassing!
Geplaatst door: Bart N. | 27 maart 2013 om 11:13