abstract: In recent years, the world has debated the idea of biofuels as a solution to energy security, energy independence, and global climate change. However, as the biofuels movement has unfolded, crucial issues emerged regarding biofuels efficacy and efficiency. The deployment of biofuels of marginal benefit has raised questions about how countries like the USA may have found themselves so invested in a potentially failing technology. In order to better understand and evaluate these issues, this study utilizes the Ostrom Institutional Analysis and Development (IAD) framework to better evaluate these issues and analyze interacting institutions that shape US biofuel policy. The IAD framework is a model that enables one to study, conceptualize, compare, and make connections across decision arenas that would otherwise be distinct from each other. By analyzing the interactions of relevant institutions, one can see how different dynamic interests interacted to shape biofuel policy in the USA today. Conclusions from this analysis include: the IAD framework is ideal for analyzing the political and economic case for biofuels. The five action arenas identified in this thesis are sufficient to understand corn bioethanol policy. A compelling case for supporting bioethanol is not made. An international agreement to reduce GHG emissions could change the landscape for biofuels. Finally, there is little prospect for biofuels playing a significant role in the near term without greater alignment among the action arenas. / Dissertation/Thesis / M.S. Sustainability 2010

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This dissertation draws on the burgeoning field of innovation of low carbon technologies. Using the functions of innovation systems, this study explores the process of innovation of biofuel ethanol in the U.S. and in Brazil. It uses "process theory" to build a narrative of historical events that represent the innovation trajectory of ethanol biofuel in the U.S. and in Brazil over a period of thirty years. The data is drawn from newspaper articles from the New York Times, Washington Post, and O Estado de Sao Paulo published between 1975 and 2008. Results of this research confirm findings published previously that innovation performs better when the main actors in the innovation process act under clear and well defined policy targets, and when the innovation environment contributes to building positive expectations about the technology. The empirical findings build upon the literature and validate early claims that the alignment of goals between technology producers and users is an inducer of innovation. Moreover, the analysis presented shows that by developing new capabilities, technology users in the downstream market broaden the innovation environment and facilitate the adoption of the emerging technology by new users and markets. For example, the automobile sector has been participating actively in the ethanol technological innovation system in Brazil, facilitating the innovation flow between upstream and the downstream market. This has not been the case in the U.S., where the automobile sector has not found incentives to participate in the ethanol technological innovation systems.

Há atualmente um grande aumento na demanda por fontes de energia renováveis e de combustíveis que sejam menos poluentes, isto faz com que o etanol ganhe uma grande notoriedade como uma boa alternativa as fontes convencionais de energia. A tendência é de um grande aumento no consumo deste produto, para os próximos anos, o que vai exigir meios de transporte e estocagem seguros e eficientes, desde os produtores até os terminais de distribuição. Economicamente o melhor modo de transportar este produto é, sem nenhuma dúvida, através de dutos de aço, no entanto, existem estudos comprovando que alguns tipos de etanol são nocivos ao material empregado nos dutos. Dentre os modos de avaliar esta influência está a avaliação da tenacidade do material frente ao meio de interesse. Este trabalho tem por objetivo avaliar a tenacidade de um aço API 5L X70 quando exposto aos meios etanol de milho e etanol de cana, variando também o tempo de exposição do material no meio. Além disto, neste trabalho foram feitos diagramas FAD com os valores de tenacidade encontrados em escala reduzida para obter-se um indicativo da integridade estrutural do duto. Para tanto, foram preparados 10 corpos de prova do tipo C(T) entalhados e pré-trincados, respeitando a norma ASTM E647-08 e distribuídos da seguinte forma: 2 corpos de prova para ensaios ao ar, 4 corpos de prova para ensaios em meio etanol de cana e 4 corpos de prova para os ensaios em etanol de milho, além disto, foi utilizado o programa Vindio para a confecção dos diagramas FAD. Os resultados mostraram que os meios etanólicos de cana obtiveram resultados muito parecidos com os ensaiados ao ar, enquanto que no meio etanólico de milho fica evidenciada a fragilidade do material. Nas imagens fractográficas dos corpos de prova ensaiados foi confirmada a diferença na forma de fratura (frágil, no caso do etanol de milho e dúctil no etanol de cana e ao ar). / Nowadays, there is a large increase in the demand for renewable sources of energy and fuels more environment-friendly, this fact fortifies the ethanol’s image as a attractive alternative to conventional energy sources. The upward trend in the consumption of this product in the coming years will require safety and efficiently transportation and storage from producers to distribution terminals. Undoubtedly, the most economically way to transport this product is through pipelines, however, there are studies showing that some types of ethanol are damaging to the pipes material. One way to evaluate this harmful effect of ethanol is the toughness study of the material in the environment of interest. This study aims to assess the tenacity of the API 5L X70 steel when exposed to corn ethanol and sugarcane ethanol for different immersion times. Furthermore, to obtain an indication of the pipe’s structural integrity, FAD’s diagrams were plotted with toughness values determined in the small scale test. For this proposal, 10 C(T) specimens were notched and pre-cracked in accordance to the ASTM E647-08 and distributed as follows: 2 CPs for air test, 4 CPs for the sugarcane ethanol medium and 4 CPs for the corn ethanol. In addition, the Vindio software was used to make the FAD’s diagrams. The results showed that the tests realized in the air and in the sugarcane ethanol medium were very similar, while in the corn ethanol medium is evident the fragility of the material. The surface fracture confirmed the fragile behavior for specimen tested in the corn ethanol medium and ductile behavior for the sugarcane ethanol medium.

Há atualmente um grande aumento na demanda por fontes de energia renováveis e de combustíveis que sejam menos poluentes, isto faz com que o etanol ganhe uma grande notoriedade como uma boa alternativa as fontes convencionais de energia. A tendência é de um grande aumento no consumo deste produto, para os próximos anos, o que vai exigir meios de transporte e estocagem seguros e eficientes, desde os produtores até os terminais de distribuição. Economicamente o melhor modo de transportar este produto é, sem nenhuma dúvida, através de dutos de aço, no entanto, existem estudos comprovando que alguns tipos de etanol são nocivos ao material empregado nos dutos. Dentre os modos de avaliar esta influência está a avaliação da tenacidade do material frente ao meio de interesse. Este trabalho tem por objetivo avaliar a tenacidade de um aço API 5L X70 quando exposto aos meios etanol de milho e etanol de cana, variando também o tempo de exposição do material no meio. Além disto, neste trabalho foram feitos diagramas FAD com os valores de tenacidade encontrados em escala reduzida para obter-se um indicativo da integridade estrutural do duto. Para tanto, foram preparados 10 corpos de prova do tipo C(T) entalhados e pré-trincados, respeitando a norma ASTM E647-08 e distribuídos da seguinte forma: 2 corpos de prova para ensaios ao ar, 4 corpos de prova para ensaios em meio etanol de cana e 4 corpos de prova para os ensaios em etanol de milho, além disto, foi utilizado o programa Vindio para a confecção dos diagramas FAD. Os resultados mostraram que os meios etanólicos de cana obtiveram resultados muito parecidos com os ensaiados ao ar, enquanto que no meio etanólico de milho fica evidenciada a fragilidade do material. Nas imagens fractográficas dos corpos de prova ensaiados foi confirmada a diferença na forma de fratura (frágil, no caso do etanol de milho e dúctil no etanol de cana e ao ar). / Nowadays, there is a large increase in the demand for renewable sources of energy and fuels more environment-friendly, this fact fortifies the ethanol’s image as a attractive alternative to conventional energy sources. The upward trend in the consumption of this product in the coming years will require safety and efficiently transportation and storage from producers to distribution terminals. Undoubtedly, the most economically way to transport this product is through pipelines, however, there are studies showing that some types of ethanol are damaging to the pipes material. One way to evaluate this harmful effect of ethanol is the toughness study of the material in the environment of interest. This study aims to assess the tenacity of the API 5L X70 steel when exposed to corn ethanol and sugarcane ethanol for different immersion times. Furthermore, to obtain an indication of the pipe’s structural integrity, FAD’s diagrams were plotted with toughness values determined in the small scale test. For this proposal, 10 C(T) specimens were notched and pre-cracked in accordance to the ASTM E647-08 and distributed as follows: 2 CPs for air test, 4 CPs for the sugarcane ethanol medium and 4 CPs for the corn ethanol. In addition, the Vindio software was used to make the FAD’s diagrams. The results showed that the tests realized in the air and in the sugarcane ethanol medium were very similar, while in the corn ethanol medium is evident the fragility of the material. The surface fracture confirmed the fragile behavior for specimen tested in the corn ethanol medium and ductile behavior for the sugarcane ethanol medium.

Com a implementação do Programa Nacional do Álcool (Proálcool), Protocolo de Quioto e substituição do MBTE (metil-terci-butil eter) em alguns países nos últimos anos, houve um aumento significativo da produção de etanol. Os dois maiores produtores mundiais de etanol são os Estados Unidos e o Brasil, sendo o etanol oriundo do Milho e da Cana-de-açucar, respectivamente. Transporte por dutos é a forma mais econômica para grandes quantidades, porém, há evidências de que esses dutos de transporte, e também fundo de tanques de armazenamento, possam ser susceptíveis ao fenômeno de corrosão sob tensão quando operam com etanol. Este fenômeno pode ser avaliado, por exemplo, por ensaios de baixa taxa de deformação (BTD) e de tenacidade à fratura, com corpos de prova definidos em normas já conhecidas internacionalmente. Este trabalho tem por objetivo avaliar a susceptibilidade do aço API X70 em diferentes meios de etanol (Etanol combustível simulado (SFGE), Milho e Cana) através de ensaios de mecânica da fratura. Foram preparados corpos de prova pré-trincados do tipo C(T) (Compact Tension), de acordo com a norma ASTM E647-08. A análise dos resultados foi realizada através das equações da mecânica da fratura linear elástica. Nos ensaios de curvas K-R, apesar de somente o etanol de Milho apresentar uma queda de tenacidade, o K de iniciação aparente e as análises fractográficas, confirmam a fragilização do material nos meios etanol SFGE e Milho. Ensaios de baixa taxa de deformação (BTD) interrompidos e os de step loading com carga flutuante também confirmam estes resultados. / In recent years, there have been significant increases in ethanol production due to Brazilian Alcohol Program (Proálcool) implementation, Kyoto Protocol and replacement MBTE in some countries. The world’s largest producers of ethanol are United States and Brazil, being produced from Corn and Sugar Cane, correspondingly. Pipeline transportation is the most cost effective in large volumes, although, there are evidences that these pipelines and the bottom of ethanol storage tanks might be susceptible to the stress corrosion cracking phenomenon. This phenomenon can be assessed, for example, by slow strain rate tests (SSRT) and fracture toughness tests, with specimens well defined by international standards. This study aims to evaluate the susceptibility of steel API X70 in different ethanol environment (Simulated fuel-grade ethanol (SFGE), Corn and Sugar Cane) through fracture mechanics specimens. The tests were carried out on pre-cracked C(T) (Compact Tension) specimens, according to ASTM E647-08. The analysis of results was performed using linear elastic fracture mechanics equations. The analysis of K-R curves initially presented a decrease in toughness only in Corn environment, however the K for crack initiation apparent and fractography investigation confirm the material embrittlement in both SFGE and Corn ethanol environments. Tests of the slow strain rate test (SSRT) interrupted and loading step with fluctuating load also confirm these results.

Há atualmente um grande aumento na demanda por fontes de energia renováveis e de combustíveis que sejam menos poluentes, isto faz com que o etanol ganhe uma grande notoriedade como uma boa alternativa as fontes convencionais de energia. A tendência é de um grande aumento no consumo deste produto, para os próximos anos, o que vai exigir meios de transporte e estocagem seguros e eficientes, desde os produtores até os terminais de distribuição. Economicamente o melhor modo de transportar este produto é, sem nenhuma dúvida, através de dutos de aço, no entanto, existem estudos comprovando que alguns tipos de etanol são nocivos ao material empregado nos dutos. Dentre os modos de avaliar esta influência está a avaliação da tenacidade do material frente ao meio de interesse. Este trabalho tem por objetivo avaliar a tenacidade de um aço API 5L X70 quando exposto aos meios etanol de milho e etanol de cana, variando também o tempo de exposição do material no meio. Além disto, neste trabalho foram feitos diagramas FAD com os valores de tenacidade encontrados em escala reduzida para obter-se um indicativo da integridade estrutural do duto. Para tanto, foram preparados 10 corpos de prova do tipo C(T) entalhados e pré-trincados, respeitando a norma ASTM E647-08 e distribuídos da seguinte forma: 2 corpos de prova para ensaios ao ar, 4 corpos de prova para ensaios em meio etanol de cana e 4 corpos de prova para os ensaios em etanol de milho, além disto, foi utilizado o programa Vindio para a confecção dos diagramas FAD. Os resultados mostraram que os meios etanólicos de cana obtiveram resultados muito parecidos com os ensaiados ao ar, enquanto que no meio etanólico de milho fica evidenciada a fragilidade do material. Nas imagens fractográficas dos corpos de prova ensaiados foi confirmada a diferença na forma de fratura (frágil, no caso do etanol de milho e dúctil no etanol de cana e ao ar). / Nowadays, there is a large increase in the demand for renewable sources of energy and fuels more environment-friendly, this fact fortifies the ethanol’s image as a attractive alternative to conventional energy sources. The upward trend in the consumption of this product in the coming years will require safety and efficiently transportation and storage from producers to distribution terminals. Undoubtedly, the most economically way to transport this product is through pipelines, however, there are studies showing that some types of ethanol are damaging to the pipes material. One way to evaluate this harmful effect of ethanol is the toughness study of the material in the environment of interest. This study aims to assess the tenacity of the API 5L X70 steel when exposed to corn ethanol and sugarcane ethanol for different immersion times. Furthermore, to obtain an indication of the pipe’s structural integrity, FAD’s diagrams were plotted with toughness values determined in the small scale test. For this proposal, 10 C(T) specimens were notched and pre-cracked in accordance to the ASTM E647-08 and distributed as follows: 2 CPs for air test, 4 CPs for the sugarcane ethanol medium and 4 CPs for the corn ethanol. In addition, the Vindio software was used to make the FAD’s diagrams. The results showed that the tests realized in the air and in the sugarcane ethanol medium were very similar, while in the corn ethanol medium is evident the fragility of the material. The surface fracture confirmed the fragile behavior for specimen tested in the corn ethanol medium and ductile behavior for the sugarcane ethanol medium.

Com a implementação do Programa Nacional do Álcool (Proálcool), Protocolo de Quioto e substituição do MBTE (metil-terci-butil eter) em alguns países nos últimos anos, houve um aumento significativo da produção de etanol. Os dois maiores produtores mundiais de etanol são os Estados Unidos e o Brasil, sendo o etanol oriundo do Milho e da Cana-de-açucar, respectivamente. Transporte por dutos é a forma mais econômica para grandes quantidades, porém, há evidências de que esses dutos de transporte, e também fundo de tanques de armazenamento, possam ser susceptíveis ao fenômeno de corrosão sob tensão quando operam com etanol. Este fenômeno pode ser avaliado, por exemplo, por ensaios de baixa taxa de deformação (BTD) e de tenacidade à fratura, com corpos de prova definidos em normas já conhecidas internacionalmente. Este trabalho tem por objetivo avaliar a susceptibilidade do aço API X70 em diferentes meios de etanol (Etanol combustível simulado (SFGE), Milho e Cana) através de ensaios de mecânica da fratura. Foram preparados corpos de prova pré-trincados do tipo C(T) (Compact Tension), de acordo com a norma ASTM E647-08. A análise dos resultados foi realizada através das equações da mecânica da fratura linear elástica. Nos ensaios de curvas K-R, apesar de somente o etanol de Milho apresentar uma queda de tenacidade, o K de iniciação aparente e as análises fractográficas, confirmam a fragilização do material nos meios etanol SFGE e Milho. Ensaios de baixa taxa de deformação (BTD) interrompidos e os de step loading com carga flutuante também confirmam estes resultados. / In recent years, there have been significant increases in ethanol production due to Brazilian Alcohol Program (Proálcool) implementation, Kyoto Protocol and replacement MBTE in some countries. The world’s largest producers of ethanol are United States and Brazil, being produced from Corn and Sugar Cane, correspondingly. Pipeline transportation is the most cost effective in large volumes, although, there are evidences that these pipelines and the bottom of ethanol storage tanks might be susceptible to the stress corrosion cracking phenomenon. This phenomenon can be assessed, for example, by slow strain rate tests (SSRT) and fracture toughness tests, with specimens well defined by international standards. This study aims to evaluate the susceptibility of steel API X70 in different ethanol environment (Simulated fuel-grade ethanol (SFGE), Corn and Sugar Cane) through fracture mechanics specimens. The tests were carried out on pre-cracked C(T) (Compact Tension) specimens, according to ASTM E647-08. The analysis of results was performed using linear elastic fracture mechanics equations. The analysis of K-R curves initially presented a decrease in toughness only in Corn environment, however the K for crack initiation apparent and fractography investigation confirm the material embrittlement in both SFGE and Corn ethanol environments. Tests of the slow strain rate test (SSRT) interrupted and loading step with fluctuating load also confirm these results.

Com a implementação do Programa Nacional do Álcool (Proálcool), Protocolo de Quioto e substituição do MBTE (metil-terci-butil eter) em alguns países nos últimos anos, houve um aumento significativo da produção de etanol. Os dois maiores produtores mundiais de etanol são os Estados Unidos e o Brasil, sendo o etanol oriundo do Milho e da Cana-de-açucar, respectivamente. Transporte por dutos é a forma mais econômica para grandes quantidades, porém, há evidências de que esses dutos de transporte, e também fundo de tanques de armazenamento, possam ser susceptíveis ao fenômeno de corrosão sob tensão quando operam com etanol. Este fenômeno pode ser avaliado, por exemplo, por ensaios de baixa taxa de deformação (BTD) e de tenacidade à fratura, com corpos de prova definidos em normas já conhecidas internacionalmente. Este trabalho tem por objetivo avaliar a susceptibilidade do aço API X70 em diferentes meios de etanol (Etanol combustível simulado (SFGE), Milho e Cana) através de ensaios de mecânica da fratura. Foram preparados corpos de prova pré-trincados do tipo C(T) (Compact Tension), de acordo com a norma ASTM E647-08. A análise dos resultados foi realizada através das equações da mecânica da fratura linear elástica. Nos ensaios de curvas K-R, apesar de somente o etanol de Milho apresentar uma queda de tenacidade, o K de iniciação aparente e as análises fractográficas, confirmam a fragilização do material nos meios etanol SFGE e Milho. Ensaios de baixa taxa de deformação (BTD) interrompidos e os de step loading com carga flutuante também confirmam estes resultados. / In recent years, there have been significant increases in ethanol production due to Brazilian Alcohol Program (Proálcool) implementation, Kyoto Protocol and replacement MBTE in some countries. The world’s largest producers of ethanol are United States and Brazil, being produced from Corn and Sugar Cane, correspondingly. Pipeline transportation is the most cost effective in large volumes, although, there are evidences that these pipelines and the bottom of ethanol storage tanks might be susceptible to the stress corrosion cracking phenomenon. This phenomenon can be assessed, for example, by slow strain rate tests (SSRT) and fracture toughness tests, with specimens well defined by international standards. This study aims to evaluate the susceptibility of steel API X70 in different ethanol environment (Simulated fuel-grade ethanol (SFGE), Corn and Sugar Cane) through fracture mechanics specimens. The tests were carried out on pre-cracked C(T) (Compact Tension) specimens, according to ASTM E647-08. The analysis of results was performed using linear elastic fracture mechanics equations. The analysis of K-R curves initially presented a decrease in toughness only in Corn environment, however the K for crack initiation apparent and fractography investigation confirm the material embrittlement in both SFGE and Corn ethanol environments. Tests of the slow strain rate test (SSRT) interrupted and loading step with fluctuating load also confirm these results.