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DSGE 모형을 이용한 온실가스 감축정책의 거시경제 효과 분석 : The macroeconomic impact analysis of greenhouse gas abatement policies with a DSGE model

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Authors
안상기
Advisor
권오상
Major
농업생명과학대학 농경제사회학부
Issue Date
2015-08
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
온실가스배출권 거래제탄소세DSGE 모형
Description
학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 농경제사회학부(농업자원경제학전공), 2015. 8. 권오상.
Abstract
최근 온실가스 배출로 인한 기후변화로 경제 손실, 질병 위험, 식량 불안정 등 전세계에 미치는 부정적 영향이 발생한다는 것이 과학적으로 규명되면서 주요국들은 탄소감축을 위한 직접 규제뿐만 아니라 배출권 거래제, 탄소세 등 시장유인기반 환경정책들을 점진적으로 도입하고 있는 상황이다. 우리나라도 2020년까지 온실가스 30% 감축을 목표로 설정하고 2015년에 배출권 거래제를 도입하였으며, 탄소세 도입에 관한 논의를 진행 중이다.
그 동안 온실가스 감축을 위한 효과적인 정책설계에 대한 연구가 정보의 불확실성, 온실가스 감축기술 개발 유인, 정책수단의 조합 등 다양한 관점에서 지속적으로 이루어져 왔다. 또한 거시경제 측면에서 연산일반균형(CGE) 모형을 이용하여 기술 개발, 정책 수단, 기후변화 시나리오 등에 대한 다양한 가정을 통해 탄소배출의 피해와 감축효과를 분석한 많은 연구들이 진행되어 왔다. 아울러 기존 거시경제 모형에 합리적 기대를 반영한 동태확률적 일반균형(DSGE) 모형을 이용하여 온실가스 감축정책에 대한 분석이 이루어지기 시작하였다.
본 연구는 최근 환경거시경제학에서 도입되고 있는 DSGE 모형을 통해 온실가스 배출과 감축정책이 우리나라의 거시경제에 미치는 효과를 분석하기 위해 다음과 같은 독립된 2개의 논문으로 구성되었다.
제1논문에서는 탄소배출에 따른 부정적 외부효과가 주요 거시 및 환경 변수의 동태적 특성과 국내 경기변동에 미치는 영향을 살펴보고자 실물경기변동(RBC) 이론에 기초한 DSGE 모형에 탄소배출, 탄소누적에 따른 생산성 피해, 탄소감축비용 등을 반영하였다. 이 때 우리나라와 같은 제조업 기반 소규모 경제의 특징에 부합되도록 모형의 주요 모수 값을 직접 추정(calibration)하였다.
생산에 대한 탄소배출 탄력성은 대체로 미국의 경우보다 크게 추정된 가운데 분석모형에 따라 비탄력적인 값과 탄력적인 값으로 상이하게 나타났다. 반면 탄소배출 변동성은 GDP 변동성보다 크게 추정되었다. 이는 국내 산업구조가 원자력 발전 비중 증가, 서비스 산업화 진전 등으로 에너지 효율적인 저탄소 산업구조로 재편되면서 탄소배출과 GDP의 순환변동치가 1980년대와 2000년대에 상반된 모습을 보였기 때문이다. 또한 생산성 피해는 대기중 탄소가 누적될수록 미국보다 상대적으로 크게 나타났으며, 탄소감축비용은 Nordhaus (2008)의 경우보다 덜 볼록한 형태로 탄소저감비율 25% 이상에서는 온실가스 감축목표를 상대적으로 낮은 비용으로 달성할 수 있었다.
위 모형을 통해 기술충격반응, 모의실험 및 민감도 분석을 실시한 결과 다음과 같은 특징을 보였다. 첫째, 최적 탄소배출은 경기변동의 관점에서 경기 순응적(procyclical)으로 추정되었으며 탄소배출, 대기중 탄소누적, 탄소감축비용 등 환경변수들의 변동성은 탄소배출 탄력성 값에 비례적으로 증가하였다. 둘째, 탄소배출 탄력성이 클수록 대기중 탄소누적에 따른 생산성 피해가 증가하여 생산, 소비, 자본 등 거시변수의 증가율이 미미하지만 낮게 반응하였다. 셋째, 탄소저감비율과 탄소감축비용의 기술 충격반응은 자본의 가격효과와 탄소누적에 따른 생산성 피해로 인해 약 15분기 이후 급격히 하락하는 등 환경개선을 위한 노력이 둔화되는 특징을 보이고 있다.
이상의 분석결과로부터 다음과 같은 정책적 시사점을 도출할 수 있었다. 탄소는 생산 활동에 필연적으로 수반되는 부산물로써 최적 탄소배출은 경기변동의 흐름에 따라 경기 순응적으로 나타났다. 다만 탄소배출 탄력성이 클수록 탄소배출, 대기중 탄소누적 및 탄소감축비용도 증가하고 생산성 피해 등의 외부효과가 확대되어 생산, 소비 등 거시변수의 증가폭을 제한하고 있었다. 따라서 지속적인 탄소감축 기술개발을 통해 탄소배출 탄력성을 낮추어 에너지 효율적인 저탄소 경제구조로 이행해야 할 것이다.
제2논문에서는 배출권 거래제, 탄소세의 온실가스 감축정책이 국내 거시경제에 미치는 영향을 분석하고자 독점적 중간재 생산기업의 가격 경직성과 탄소배출 관련 함수들을 반영한 뉴케인지언 DSGE 모형을 구축하였다. 또한 국내 경제의 특징을 반영할 수 있도록 제1논문에서 추정한 생산성 피해, 탄소감축비용 함수 등의 모수 값들을 동일하게 이용하고 탄소배출비중 등 새롭게 추가되는 모수 값들을 직접 추정하였다. 탄소배출비중은 국내 경제가 원자력 발전 비중 증가, 서비스 산업화 진전 등으로 에너지 효율적인 저탄소 산업구조로 재편되면서 1980년대와 2000년대 급격히 하락하는 등 점차 낮아지는 추세를 보였다.
위 모형을 이용하여 정상상태, 충격반응, 민감도 분석을 실시한 결과 다음과 같은 특징을 도출할 수 있었다. 먼저 정상상태를 추정한 결과, 온실가스 감축정책이 없는 기준 시나리오에서 GDP 대비 1.45%의 생산성 피해가 발생하는 11,143억톤의 대기중 누적탄소량 수준에서 우리 경제가 안정화된다. 이 값은 IPCC 4차 보고서의 2070∼2080년 전망치이며, IPCC 5차 보고서에 따르면 50∼66% 사이의 확률로 기온 상승을 2℃ 이하로 억제하기 위한 이산화탄소 배출 총량에 해당한다.
국내에서만 온실가스를 30% 감축할 경우 대기중 탄소누적량이 소폭 감소하여 생산성 피해가 0.02%p 하락하고, 탄소감축비용이 생산 대비 0.5% 발생하면서 주요 거시변수들의 수준을 하락시켜 0.57%의 사회후생이 감소하였다. 한편 전세계 모든 국가에서 30% 감축할 경우 대기중 탄소누적량도 약 31% 감소하고, 국내 탄소감축비용은 국내에서만 감축할 경우와 동일하게 생산 대비 0.5% 발생하는 반면 생산성 피해는 0.80%p 하락하고 사회후생은 0.25% 감소하여 환경정책의 글로벌 협력이 더욱 중요하게 나타났다.
기술, 정부지출 및 금리 충격반응 결과에서는 일반적인 뉴케인지언 모형과 대체로 부합되면서 국내 경제구조를 적절히 반영하는 충격반응 경로를 보이고 있었다. 주요 환경변수들은 기술충격에 대해, 배출권 거래제에서는 탄소저감비율이 최초 30% 감축 이후 서서히 하락하게 되고 탄소감축비용, 탄소가격도 점차 감소하는 반응을 보였다. 탄소세는 탄소가격, 탄소저감비율이 정책목표로 고정된 가운데 탄소배출 충격반응이 생산에 대한 충격반응과 유사하게 나타나고 있었다.
온실가스 감축정책 도입 시 생산, 소비, 투자 등에서 규제가 없는 경우보다 상대적으로 높은 증가율의 기술 충격반응을 보이는데 이는 대기중 누적탄소량이 감소하면서 생산성 피해가 하락하기 때문이다. 특히 높은 탄소감축비용을 유발하는 배출권 거래제의 충격반응이 탄소세에 비해 소폭 낮게 나타나 배출권 거래제가 낮은 변동성을 유발하고 있었다.
가격경직성에 대한 민감도 분석 결과, 모든 정책 시나리오에서 기술충격에 대해 가격경직성이 커질수록 생산, 탄소배출 증가율이 하락하고 사회후생도 감소하는 등 독점적 중간재 생산기업의 비효율성을 초래하고 있었다. 또한 탄소감축 기술수준을 의미하는 탄소배출비중에 대한 민감도 분석 결과 모든 정책 시나리오에서 탄소배출비중이 클수록 생산에 따른 탄소배출, 대기중 탄소누적, 탄소감축비용의 변동성이 심화되는 반면 탄소누적에 따른 피해가 늘어나 생산, 소비 등 주요 거시변수들의 평균이 감소하는 것으로 나타났다. 그 결과 사회후생도 탄소배출비중이 커질수록 감소하였다. 특히 가격경직성이 커질수록 온실가스 감축정책이 초래하는 사회후생 손실비용이 더욱 크게 나타났다.
이와 같은 분석결과는 다음과 같은 정책적 시사점을 제시하고 있다. 먼저 온실가스 감축정책을 시행하면 대기중 누적탄소량이 감소하여 생산성 피해가 하락하고 생산, 소비 등 거시변수들의 증가율이 상승하는 등 긍정적인 효과를 기대할 수 있다. 특히 전세계 모든 국가가 온실가스를 감축하면 낮은 감축비용으로 더욱 높은 생산성 피해를 줄일 수 있기 때문에 국가간 정책 공조가 중요함을 알 수 있었다.
환경정책별로는 배출권 거래제가 경기변동을 상대적으로 완화시켜주는 정책이나 탄소세에 비해 높은 탄소감축비용을 초래하므로 경제상황에 맞는 정책을 고려해야 한다. 한편 탄소배출비중이 커질수록 탄소배출의 변동성이 심화되고 탄소누적에 따른 피해가 확대되어 사회후생손실도 증가하기 때문에 지속적인 탄소감축 기술개발을 통해 에너지 효율적인 경제구조로 재편해야 할 것이다.
온실가스 배출에 따른 외부효과를 감안한 DSGE 모형을 통해 주요 거시 및 환경변수들의 동태적 특징을 경기변동의 관점에서 살펴보고, 온실가스 감축정책이 우리나라와 같은 에너지 집중적인 제조업 중심의 소규모 경제에 미치는 거시경제 효과를 파악할 수 있었다. 이와 같은 연구 결과는 우리나라 거시경제 상황에 적합한 온실가스 감축정책을 효과적으로 마련하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.
Many countries are adopting the market-based environmental policies including cap-and-trade, carbon tax as well as the direct regulation for carbon emission reduction as the climate change by greenhouse gas emissions causes negative externalities such as economic losses, disease risk, food insecurity etc. The Korea government began the national cap-and-trade system to curb greenhouse gas emissions to 30 percent below BAU levels by 2020 and is considering the introduction of a carbon tax.
Many studies to design effective policies to reduce greenhouse gas emissions have been made in terms of the uncertainty of the information, carbon reduction technology development incentives and the combination of policy measures. In addition, using computational general equilibrium (CGE) model in the macro-economic perspective, many studies analyzed the damage of carbon emissions and the effect of environmental policy through a variety of assumptions regarding emissions reduction technologies, policy instruments, climate change scenarios etc. Some researches recently attempted to analyze the impact of greenhouse gas abatement policy by using the dynamic stochastic general equilibrium (DSGE) model that reflects the rational expectations.
This study is composed of two separate papers and analyzes the macroeconomic impact of greenhouse gas emissions and environmental policies in Korea with a DSGE model.
The first paper investigates the impact on the real business cycle fluctuations and the dynamic characteristics of macroeconomic, environmental variables caused by externalities of greenhouse gas emissions. I develop a DSGE model based on Real Business Cycle (RBC) including carbon emission, abatement and damage from pollution negatively affecting the economy. The model is calibrated to the manufacturing-based small economy in Korea.
The elasticity of emissions with respect to output is differently estimated from 0.8072 to 1.0920 depending on the regression models, somewhat larger than the value of United States. Whereas volatility of carbon emissions is estimated greater than GDP. The difference between the estimated values is because that carbon emissions proportion of GDP sharply declined in the 1980s and 2000s as the domestic industry has been reorganized to low-carbon, energy-efficient structure due to an increase in the proportion of nuclear energy and service industry. In addition, the estimated damage from atmospheric carbon dioxide is larger in comparison with the US and abatement cost function shows the less convex shape than Nordhaus (2008) achieving the greenhouse gas reduction targets at a low cost in a higher reduction ratio of 25%.
The result of technology impulse response, simulation and sensitivity analysis shows the following characteristics. First, optimal carbon emissions are procyclical from the point of view business cycle. And environmental variables such as emission, atmospheric carbon, abatement expenditure respond to emission elasticity proportionally. Second, the higher the elasticity of carbon emissions is, macroeconomic variables such as output, consumption, capital respond slightly low due to larger productivity damage from atmospheric carbon accumulation. Third, emission abatement ratio, abatement expenditure following a positive technology shock decline sharply after about 15 quarters due to the price effect of capital and productivity damage. It implies that efforts to improve the environment by reducing emissions has slowed.
These findings have the following policy implications. Carbon emissions as a inevitable by-product of production activities should be procyclical over the business cycle. However, the higher elasticity of carbon emissions causes the increase of carbon emissions, atmospheric carbon, abatement cost and also expands the negative external effects, such as productivity damage. As a result it reduces the growth rate of macroeconomic variables. Therefore carbon abatement technology need to be developed continuously for the transition to a energy-efficient, low-carbon economy.
The second paper investigates the macroeconomic impact of greenhouse gas abatement policies such as a cap-and-trade, a carbon tax. I construct New Keynesian DSGE model that embeds the nominal price rigidities of monopolistically competitive polluting firms and various functions related to carbon emission, abatement cost, damage from atmospheric carbon. In addition, I calibrate new parameter value for carbon emissions proportion of GDP that sharply declined in the 1980s and 2000s as the domestic industry has been reorganized to low-carbon, energy-efficient structure due to an increase in the proportion of nuclear energy and service industry. I set the other parameters consistently with the first paper and the existing literatures, so as to match features of Korea economy.
The result of steady state, impulse response, sensitivity analysis using the above model shows the following characteristics. To begin with, as a result of estimating steady state of no policy scenario, Korea economy has been stabilized in the level of 11,143 hundred million tons of atmospheric carbon accumulation inducing 1.45% productivity damage of GDP. This value is the forecast of cumulative carbon emissions for 2070∼2080 by the IPCC 4th Assessment Report and corresponds to the total emissions of carbon dioxide to suppress the temperature rise of less than 2 ℃ with a probability of 50∼66% according to the IPCC 5th Assessment Report.
A 30% abatement of only the domestic greenhouse gas reduces atmospheric carbon accumulation and induces a drop of 0.02%p in productivity damage. As the carbon abatement costs amount to 0.5% of output, the level of economic activity turns out to be lower under environmental policies and welfare cost of 0.57% is induced. In the other hand, the 30% abatement in all countries in the world reduces atmospheric carbon accumulation by about 31%, induces a drop of 0.80%p in productivity damage but carbon abatement costs amount to same 0.5% of output. So the environmental policy of global cooperation is even more important.
The impulse response of macroeconomic variables to a technology, government expenditure and nominal interest rate shock shows generally consistent results with the basic New Keynesian model. In the case of the impulse response of environment variables to a technology shock, the emission abatement ratio gradually declines after the first 30% increase and the abatement cost, the carbon price are also gradually falling after a significant increase in a cap-and-trade system. Under a tax policy the carbon price, the emission abatement ratio are fixed, the carbon emission is gradually falling after an increase like outputs response.
Under the greenhouse gas abatement policies, macroeconomic variables such as output, consumption, investment, etc. show a higher response rate than no policy, since the productivity loss falls due to the decrease of atmospheric carbon. In particular, the impulse response of a cap-and-trade system that causes the higher cost of abatement turns out to be a little lower than carbon tax policy, implying that cap-and-trade reduces macroeconomic volatility.
The results of sensitivity analysis are as follows. The higher degree of nominal price rigidities in all policy scenarios, the growth rate of output, carbon emissions declines and welfare is reduced, causing the inefficiency of monopolistically competitive intermediate good-producing firms. In addition the higher the emission ratio per unit of output that means the level of carbon reduction technology, the volatility of carbon emission, atmospheric carbon, abatement cost become enlarged. While the damage caused by carbon accumulation increases, the mean of macroeconomic variables and welfare decreases.
These results provide the following policy implications. When first the greenhouse gas abatement policies implemented, the damage of productivity due to a decrease of atmospheric carbon declines. As a result, the positive effects that the growth rate of macroeconomic variables like production, consumption, etc. increase can be expected. In particular, if all countries around the world reduce greenhouse gas emissions, the productivity damage is greatly reduced at a low abatement costs. Therefore, global policy coordination is found to be important.
In the environmental policy perspective, a cap-and-trade policy relatively mitigates the economic fluctuations compared to the carbon tax. But a cap-and-trade is causing the higher carbon reduction cost, so the policy suitable for the economic situation should be considered. In addition, the higher emission ratio per unit of output causes the larger volatility of emissions and damage of atmospheric carbon so that the welfare loss increases. Therefore carbon abatement technology need to be developed continuously for the transition to a energy-efficient, low-carbon economy.
Through DSGE models taking into account the externalities of greenhouse gas emissions, I find the dynamic characteristics of macroeconomic, environmental variables in view of the real business cycle and the macroeconomic impact of greenhouse gas abatement policies in the manufacturing-based small economy. These findings are expected to help establish effective environmental policies to reduce greenhouse gas emissions for the macroeconomic situation in Korea.
Language
Korean
URI
https://hdl.handle.net/10371/119600
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Appears in Collections:
College of Agriculture and Life Sciences (농업생명과학대학)Dept. of Agricultural Economics and Rural Development (농경제사회학부)Theses (Ph.D. / Sc.D._농경제사회학부)
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