Separability and Substitutability between Energy and Capital: Evidences from KLEM Analyses of 10 OECD Countries

Abstract

Morishima, 1967) demonstrate that substitution of energy for capital has dominated substitution of capital for energy. In particular, both EK and NJ tend to complement fuel. This asymmetry corresponds to the energy demand behavior engaged in Hartman (1979). Also, the asymmetry supports the contention of previous studies that energy pricing has failed to induce the adoption of energy-saving technologies (de Groot et al., 2001

Velthuijsen, 1993). Finally, this thesis finds an uncertain tendency in the features of interfactor substitutability by country type. The contribution of this thesis can be summarized in five points. The first is its theoretical contribution to application of the KLEM model. This thesis is the first study that conducts an in-depth investigation of separability between energy and capital, using the KLEM model. The second point is that the thesis provides a new look at the classification of capital assets, showing that capital assets invested in the manufacturing sector can be classified into two types by their effect on electricity demand. The third point relates to the generalization of substitutability between energy and capital in the ten major countries. Substitutability between energy and capital has been a major topic in energy economics since the 1970s. This study contributes to the development of a generalized discussion on this topic. The fourth point is the implications of the study for industrial energy policy. Analysis of asymmetric substitutability shows that energy pricing does not effectively reduce industrial energy demand. The fifth point refers to the studys empirical contribution to the theory of economic growth. This thesis compares interfactor and interfuel substitutability in the manufacturing sectors of the ten OECD countries.

capital that increases demand (EK) and capital that does not (NK). Besides, the extended energy sub-model regarding the investment of EK and NK tends to yield better performance in econometric and economic regularities than the energy sub-model. An international comparison also shows that the higher energy independence, the lower interfuel substitutability. Third, in the case where capital and energy are divided into sub-inputs based on their interaction, features of substitutability between energy and capital are analyzed by applying the KLEM model. In particular, the source of the disagreement on the substitutability between energy and capital (i.e., the assumed input factors) and the direction of substitutability between them are contemplated. Five input factors—EK, NK, electricity, fuel, and (the aggregate of labor and material)—are assumed. Estimates of the Morishima elasticity of substitution (Blackorby and Russell, 1989

Feng and Serletis, 2008) have shown that substitutability between energy and capital is actually asymmetric. In this context, this thesis studies separability and substitutability between energy and capital. To achieve general discussions, the manufacturing sectors of the following 10 OECD (Organization for Economic Cooperation and Development) countries after 1980 are separately analyzed: Australia, Austria, Denmark, Finland, Italy, Japan, Republic of Korea (Korea), Netherlands, the United Kingdom (UK), and the United States (US). This thesis investigates three research topics. The first is whether the assumption of separability between energy and capital is theoretically appropriate. After defining the sub-factors of energy and capital, cases of separability with corresponding separability patterns to the cases are specified. The test results for the three separability cases and the sixteen corresponding separability patterns show that the assumption of separability is not theoretically permissible. These results indicate that it is better to divide energy and capital into sub-inputs. Second, the differences in demand for the four types of energy sources, i.e., coal, oil, gas, and electricity induced by the investment of various capital assets are investigated. Capital assets are classified into six types: ICT assets, transport equipment, other machinery, other assets, non-residential structures, and residential structures. The energy sub-model (Fuss, 1977), a part of the KLEM model, is extended by the addition of a variable regarding capital investment

then, it is applied to this investigation. The empirical results show that ICT assets, other machinery, and other assets increase electricity demand, while transport equipment, non-residential equipment, and residential equipment decrease it. Thus, based on their effect on electricity demand, capital assets can be classified into two groups

Feng and Serletis, 2008)에서만 에너지-자본 간 대체성이 비대칭적 특성을 가짐을 보였다. 즉, 에너지-자본간 대체성의 방향에 대한 논의가 절대적으로 부족한 상황이다. 이에 본 논문에서는 상기에 2개 이슈에 초점을 맞추어 에너지-자본 간 분리성과 대체성을 연구하였다. 1980년 이후 OECD 10개 가입국의 제조업 자료를 분석하여 에너지-자본 간 분리성과 대체성에 관하여 일반화 시킬 수 있는 결과를 도출하려고 시도하였다. 이를 통하여 산업용 에너지 수요 정책 수립에 적용할 수 있는 시사점을 도출하였다. 관련하여 다음의 3개 주제를 연구하였다. 첫째, 에너지-자본 간 분리성을 가정하는 것이 이론적으로 적합한지 분석하였다. 에너지와 자본의 하위 요소를 분류한 뒤, 이들 간의 분리성 상황(separability case) 및 이에 결부되는 분리성 유형(separability pattern)을 도출하였다. 총 3개의 분리성 상황 및 16개의 분리성 유형 분석 결과, 분석한 모든 국가에 대하여 에너지-자본 간 분리성을 가정하는 것이 적합하지 않음을 확인하였다. 이는 KLEM 모형의 응용연구 시, 에너지와 자본을 각각 하위요소로 나누어 분석하는 것이 바람직함을 의미한다. 둘째, KLEM 모형의 하위모형인 Energy Sub-model(Fuss, 1977)을 적용하여, 자본재 종류에 따라 개별 에너지원의 수요에 미치는 영향이 어떻게 달라지는지 분석하였다. ICT assets, transport equipment, other machinery, other assets, non-residential structures, residential structures의 6개 자본재 투입이 에너지원 간 관계에 미치는 영향을 각각 분석한 결과, ICT assets, other machinery, other assets은 전기 사용량을 증가시키는 반면, 나머지 자본재들은 그 특성이 명확히 나타나지 않았다. 따라서, ICT assets, other machinery, other assets을 전기 사용을 증가시키는 자본재(EK)로 정의하고, 나머지 자본재들을 NK로 정의하였다. EK와 NK의 투입을 고려한 extended energy sub-model과 그렇지 않은 energy sub-model의 분석결과를 비교하였다. 그 결과, extended energy sub-model이 energy sub-model에 비해 설명력과 정확성이 높은 결과를 제시하는 경향이 있는 것으로 나타났다. 에너지원 간 대체성을 분석한 결과 에너지 independence가 높은 나라일수록 에너지원 간 대체가 활발하지 않은 것으로 나타났다. 셋째, 에너지 수요에 미치는 영향을 고려하여 에너지와 자본을 분리하였을 때, 에너지와 자본 간 대체성은 어떠한 특징을 가지는지 분석하였다. KLEM 모형을 분석하였으며, 생산요소로는 EK, NK, 전기, 연료, 그 외 생산요소 (노동과 재료의 합)을 가정하였다. 분석결과, 에너지에 의한 자본 대체가 자본에 의한 에너지 대체보다 우세한 것으로 나타났다. 특히, 자본재는 연료를 대체하기 보다는 보완하는 경향이 대부분의 국가에서 우세하게 나타났다. 이러한 에너지-자본 간 비대칭적 대체성은 산업에서 자본재 투자의 의사결정이 에너지 수요 결정에 선행한다는 Hartman (1979)의 설명에 부합한다. 이는 에너지 가격 정책이 에너지 효율 설비 채택을 유도하지 못한다는 기존의 연구결과(de Groot et al., 2001

Kim, 2010

OTA, 1993

Velthuijsen, 1993)을 뒷받침한다. 이상의 연구결과에 따른 본 논문의 의의는 크게 다섯 가지로 나누어 볼 수 있다. 먼저 본 논문은 에너지-자본 간 분리성의 이슈를 이론적, 실증적으로 심도 있게 고찰한 최초의 논문으로써, 관련된 학술연구에 기여할 수 있을 것이다. 둘째, 본 연구는 자본재 분류에 있어 새로운 시각을 제시하였다. 전기수요에 미치는 영향을 고려했을 때 제조업에서 투입되는 자본재는 크게 2개 유형으로 나누어질 수 있음을 보였다. 셋째, 본 논문은 10개 주요국의 에너지-자본재 간 일반적인 대체성의 특성을 밝혔다. 에너지-자본재 간 대체성/보완성 문제는 1970년대 이후 에너지 경제학계의 주요 화두였는데, 이에 관한 가능한 해답을 제시하였다는 데 큰 의의가 있다. 넷째, 본 논문은 에너지-자본 간 비대칭적 대체성을 분석하여, 산업용 에너지 수요 정책에 활용할 수 있는 시사점을 도출하였다. 에너지는 자본을 대체하지만 자본이 에너지를 반드시 대체하는 것은 아니므로, 에너지 가격 정책이 산업용 에너지 수요의 조절에 큰 효과를 발휘하기 어려움을 역설하였다. 넷째, 본 논문은 OECD 가입국 10개 국가의 생산요소 간 대체성 및 에너지원 간 대체성을 비교하였다. 이는 국가 간 성장을 비교하는 논의에 활용될 수 있다.

The KLEM model is one of the major recognized ways to analyze industrial energy demand utilizing an econometric method. Since the study of Berndt and Wood (1975), which established the KLEM model, it has been globally applied in energy economics. Using the model, both interfactor substitutability and interfuel substitutability are examined. Applying the KLEM model, this thesis conducts in-depth analyses of substitutability between energy and capital. There are two main issues with regard to substitutability between energy and capital. The first issue is the assumption of separability that generally prevails in many applied studies of the KLEM model. Separability allows us to aggregate dozens of input factors all into four: capital (K), labor (L), energy (E), and material (M). The assumption of separability restricts the possibility of sophisticated analysis of substitutability between energy and capital in the industrial sector. The definition of separability between energy and capital is a condition where substitution among various capital assets is irrelevant to substitution among various energy sources. However, in the industrial sector, the type of capital facility invested in tends in practice to determine the choice of energy source. That is, the assumption of separability ignores changes in energy mix induced by the investment of a particular kind of capital asset. The second issue is whether energy and capital are substitutable for one another. Since the energy–capital hypothesis was demonstrated by Griffin and Gregory (1976), many researchers have investigated this issue. This argument is important because if capital can substitute for energy, the adoption of energy-saving technologies through capital investment will be available. Despite many previous discussions, a consensus has not been achieved on this issue. Meanwhile, the adoption of energy-saving technologies through capital investment can be achieved, meaning that substitution of capital for energy dominates substitution of energy for capital. Many literatures on this issue overlook the question of direction of substitution, focusing instead on the general issue of substitutability. However, a few studies (Thompson and Taylor, 1995

KLEM 모형은 계량경제학적 기법을 이용해 산업용 에너지 수요를 분석하는 대표적인 모형 중 하나이다. KLEM 모형을 확립한 Berndt and Wood (1975)의 연구 이래, 이 모형은 에너지 경제학 분야에서 전세계적으로 널리 사용되어 왔다. KLEM 모형을 이용하여, 에너지원 간 대체성(interfuel substitutability)와 생산요소 간 대체성(interfactor substitutability)을 분석할 수 있다. 본 논문은 에너지 경제학에서 이슈가 되어온 에너지-자본 간 대체가능성을 KLEM 모형을 적용하여 연구하였다. 에너지-자본 간 대체가능성 분석 시 2개의 쟁점이 있다. 첫 번째는 KLEM 모형의 응용연구 시 일반적으로 가정되어온 분리성(separability)의 문제이다. 분리성은 여러 생산요소의 통합을 가능하게 하는 기초가 되는 개념이다. 분리성에 근거하여 수십 종류의 생산요소를 자본(K), 노동(L), 에너지(E), 원재료(M)의 네 요소로 통합할 수 있다. 이 가정은 산업에서의 에너지-자본 간 대체성을 정확히 분석하는 데 제약이 된다. 분리성은 상이한 자본재 간의 대체가 에너지원 간의 대체와 무관하다고 가정한다. 그러나 실제 산업에서는 어떠한 종류의 자본 설비에 투자하느냐가 어떤 에너지원을 사용할지 결정하는 경향이 있다. 이러한 맥락에서, 분리성의 가정은 특정 자본재 선택에 따른 에너지 믹스 변화를 간과하게 한다. 두 번째 쟁점은 과연 에너지와 자본 간에 대체성 존재 여부이다. Griffin and Gregory (1976)이 에너지-자본 가설 (energy-capital hypothesis)를 제시한 이래, 많은 연구자들은 에너지와 자본이 서로 대체재인지 보완재인지 지속적으로 논의해왔다. 이를 논의한 이유는 만약 에너지와 자본이 대체재 관계에 있다면 에너지 가격 인상 혹은 자본 투자를 통해 에너지 사용량을 감소시킬 수 있기 때문이다. 많은 논의에도 불구하고 에너지-자본 간 대체성에 관해서 아직까지 일치되는 견해가 도출되지는 않았다. 한편, 에너지-자본 간 대체성이 에너지 효율적인 기술의 채택을 의미하려면, 자본에 의한 에너지 대체가 에너지에 대한 자본 대체보다 커야 한다. 그러나 기존의 많은 문헌들은 대체성 그 자체에 집중한 나머지, 대체성 방향의 문제를 간과하였다. 일부 논문(Thompson and Taylor, 1995

Welsch and Ochsen, 2005