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CGE 모형을 통한 온실가스 감축 효과 분석, 하류 탄소세의 손을 들다

by R.E.F. 17기 이명현 2020. 11. 30.

CGE 모형을 통한 온실가스 감축 효과 분석, 하류 탄소세의 손을 들다

대학생신재생에너지기자단 17기 이명현

 

CGE 모형이란?

 CGE 모형은 경제를 이루는 개별 재화시장과 요소시장을 통합하여 거시경제적 균형을 도출할 수 있는 모형이다. 생산요소의 조합 비율이 고정되어 있는 투입-산출 모형과는 달리, CGE모형의 생산요소 조합 비율은 생산요소의 상대가격 변화에 따라 일정한 비율로 변화하는데, 이 비율을 고정 대체 탄력성이라고 한다. 두 생산요소 간 대체 가능성이 클수록 요소 상대가격 변화율에 따른 요소 투입 비율의 변화율이 더 커진다. 반면 두 요소 간 대체가 불가능한 레온티예프 생산함수의 경우 요소 상대가격이 변화해도 요소 투입비율이 일정하게 유지된다.

[자료1. 생산함수별 생산요소 간 대체성을 보여주는 등량곡선(iso-quant)]

출처: Pauw, Kalie, 2003."Functional Forms Used in CGE Models: Modelling Production and Commodity Flows," Background Paper Series 15606, PROVIDE Project.

Phillipiddis의 학위논문에서는 폐쇄경제, 2재화, 2요소로 구성된 단순화된 CGE모형이 제시되어 있다. 함숫값 최적화 과정에 따라서 대표 소비자는 예산제약 하에 콥-더글라스(Cobb-Douglas) 효용함수의 값을 극대화하는 최적 소비량을 결정하고, 공급자는 고정대체탄력성 생산함수의 산출량을 달성하기 위한 비용 극소화 요소 수요량을 결정한다. 또한 모든 시장은 완전경쟁 시장으로, 모든 생산요소에 지급된 보수의 합이 총생산과 일치하고, 각 산업의 이윤과 생산비용이 일치하게 된다. 이처럼 CGE 모형은 부분균형분석과 비교하여, 재화시장과 요소시장 사이의 상호작용, 서로 다른 재화시장 간의 상호작용을 양적으로 분석할 수 있는 장점이 있다.

*콥-더글라스(Cobb-Douglas) 효용함수: 각각의 재화 소비량을 변수로 하는 멱함수(Power Function)들의 곱으로 표현된 함수.

[자료2. 사회계정행렬의 형식]

출처: Ian Sue Wing, 2009. "Computable General Equilibrium Models for the Analysis of Energy and Climate Policies," Chapters, in: Joanne Evans & Lester C. Hunt (ed.),International Handbook on the Economics of Energy, chapter 14, Edward Elgar Publishing.

사회계정행렬은 기업, 가계, 정부 등 경제활동 참가자들 사이의 거래액을 표시한 행렬로, CGE 분석의 토대가 되는 자료다. 사회계정행렬은 크게 X바로 표시된 중간재 시장, G바로 표시된 최종재 시장, V바로 표시된 요소시장으로 구성되어 있다. 각 중간재 산업의 총 산출은 각 중간재 산업의 판매금액을 X바에서 G바까지 행방향으로 더하여 얻어지고, 각 중간재 산업의 총 지출은 각 중간재 산업의 구매금액을 X바에서 V바까지 열방향으로 더하여 얻어지며, 완전경쟁시장의 가정에서 정상이윤만이 가능하기에 개별 산업의 총 산출과 총 지출은 동일하게 된다. 또한 요소시장의 노동, 자본 등 각 요소의 수요와 공급이 일치해야 한다. 한국은행의 산업연관표가 이와 같은 형태를 취하고 있다.

 

CGE 모형을 통한 탄소세 효과 분석

CGE모형을 환경분야에 적용하기 위해서는 자연과학, 공학적 계산이 요구된다. 1971년 Ehrlich과 Holdren은 Imapct of Population Growth에서 인간활동의 환경적 영향을 인구, 경제활동, 기술의 곱으로 정의하는 모델을 제시했다. 이후 Kaya는 환경적 영향의 대리변수로 CO2를 설정하고, 인구, 1인당 GDP, 에너지원단위, 화석연료 믹스, 배출계수의 곱으로 환경 영향을 표현하는 Kaya 방정식을 고안했으며 이는 경제활동의 환경적 영향을 평가하는 근본 모형으로 자주 활용되고 있다.

[자료3. Kaya 방정식]

출처: 한국환경정책학회 (2020). 이산화탄소 배출량 분해분석: 산업 및 에너지 소비구조를 중심으로. 환경정책, 28(2), 153-182.

환경영향 분석을 위한 사회계정행렬을 구성하려면 금액 단위로 표시된 산업연관표의 데이터를 물리적 에너지 단위로 나누어 가격과 물량을 구분하여 추정하는 작업이 필요하다. 또한 산업별 생산활동으로 인한 온실가스 배출량을 추정하기 위해 IPCC 배출계수, 한국환경정책평가연구원에서 제공하는 온실가스 산업연관표 등을 활용할 수 있다. 또한 생산함수의 에너지양 앞에 효율성 계수를 곱하여 온실가스 배출량에 영향을 미치는 요인 중 하나인 에너지효율성을 모형에 반영할 수 있다.

[자료4. 기준년도 및 하류/상류 탄소세의 탄소세율]

출처: 한국환경정책평가연구원 (2020). 에너지 세제 개편의 경제효과 분석: 에너지 부문의 상류탄소세와 하류탄소세에 대하여. 환경정책, 28(2), 49-77.

2020년 환경정책평가연구원에서는 탄소세를 원자재 및 1차 에너지에 적용되는 상류 탄소세와 기타 생산부문에 적용되는 하류 탄소세로 구분하고, 각각이 온실가스 배출량에 미치는 영향을 비교했다. 중간재와 에너지-자본-노동의 복합요소 간의 투입비중은 일정한 상수로 놓고, 에너지-자본-노동의 복합요소에는 고정대체탄력성 함수를 적용했다.

앞서 설명한 것처럼 상류 탄소세는 1차 에너지와 원자재에 적용되며, 이는 결과적으로 하류 산업 생산자의 에너지 투입량에 대한 조세가 된다. 반면 하류 탄소세는 전환 에너지 산업 및 에너지 다소비 산업에 적용되며, 생산자에게는 생산활동에 대한 조세가 된다. 하류 탄소세의 경우 생산액 대비 탄소세의 비중을 나타내는 ‘탄소세율’을 생산량 당 배출량에 비례하게 설정했다.

하류 탄소세는 전력 부문에 가장 많이 적용되었고, 상류 탄소세는 원자재 및 1차 에너지 산업에 적용되었으며, 타 산업별 탄소세율을 조정하여 하류 탄소세 시나리오와 상류 탄소세 시나리오에서 경제 전체에 적용되는 절대적 탄소세 총액은 9.6조 원으로 동일하게 적용했다.

또한 허핀달 지수가 3000 이상인 광산품, 전기 및 전자기기 및 정밀기기, 전력, 석탄, 원유, 천연가스 산업에 대해 불완전경쟁 쿠르노 과점 모형을 도입하여 가격조건을 변화시켰다.

[자료5. 탄소세로 인한 산업 및 최종 소비 부문의 거래량 및 배출량 변화]

출처: 한국환경정책평가연구원 (2020). 에너지 세제 개편의 경제효과 분석: 에너지 부문의 상류탄소세와 하류탄소세에 대하여. 환경정책, 28(2), 49-77.

분석 결과 산업부문에서는 상류탄소세보다 하류탄소세가 온실가스 배출량을 더 많이 낮추고, 소비부문에서는 하류탄소세보다 1차에너지에 직접 적용되는 상류탄소세가 온실가스 배출량을 더 많이 낮추는 것으로 나타났다.

[자료6. 탄소세로 인한 총생산(GDP) 및 총배출량 변화]

출처: 한국환경정책평가연구원 (2020). 에너지 세제 개편의 경제효과 분석: 에너지 부문의 상류탄소세와 하류탄소세에 대하여. 환경정책, 28(2), 49-77.

산업부문과 소비부문을 통합한 전체 GDP에서는 하류 탄소세로 인한 전체 온실가스 배출량 감축분이 상류 탄소세보다 많은 것으로 나타났다. 이는 하류 탄소세로 인한 산업부문 배출량 감축의 기여도가 상대적으로 크기 때문이다. 조세로 인한 GDP 손실은 하류 탄소세가 더 많았지만, GDP 1단위 손실로 인한 온실가스 감축분도 하류 탄소세가 더 높아, 상대적으로 하류 탄소세가 온실가스 감축에 효과적인 것으로 드러났다.

에너지원 상대가격에 미치는 영향으로 상류 탄소세는 모든 에너지원의 가격을 0.4~2.9%가량 높이지만, 하류 탄소세는 전력가격은 크게 상승시키고 석탄, 석유, 가스의 가격은 떨어뜨려 상대가격의 왜곡이 심하게 나타났다.

 

CGE 모형의 한계점 및 개선방안

2018년 산업연구원에서는 에너지전환정책이 산업별 생산과 GDP에 미치는 영향을 CGE 모형을 통해 분석했다. 전력 부문을 발전원별로 구분하고 신재생, 수력, 원자력에는 생산함수에 고정요소를 설정하여 시나리오에 맞게 발전량을 조정한 것은 전력 부문에 상향식 모형을 적용한 예라고 볼 수 있다. 반면 발전부문 이외에도 폭넓게 소비되는 화석연료를 이용한 발전에 대해서는 탄소세를 부과하여 발전량을 조정했다. 석탄, 유류, LNG 등 세부 발전원에 대한 발전량을 조정하는 데에는 하향식 모형으로 한계가 있다고 언급되어 있다.

2017년 4.3%인 신재생에너지 발전 비중을 2030년 20%까지 끌어올린다는 제8차 전력수급기본계획은, 2030년 신재생에너지 발전비중 약 10.8%를 목표로 한 7차 전력수급기본계획과 비교하여 2030년 전력 요금을 75% 수준으로 낮추고 GDP를 약 4% 높이는 것으로 나타났다. 그러나 화석연료 발전의 원료 간 대체비용은 반영할 수 없었다.

하향식 모형인 CGE 모형은 재화시장과 요소시장, 해외시장을 연결하는 일반균형을 도출할 수 있지만, 생산부문에 있어 고정된 요소 투입비중을 가지고 있는 개별적인 기술여건을 반영하지 못한다는 단점이 있다. 반면 상향식 모형은, 총생산을 최소 비용을 만족하는 ‘생산기술의 조합’으로 표현하여 기술적인 변화를 보다 현실적으로 반영할 수 있다. 결과적으로 온실가스 감축정책에 있어 상향식 모형은 감축기술과 에너지 효율적 기술을 고려하여, 감축비용과 에너지 사용량을 하향식 모형과 비교해 더 낮게 측정하게 된다.

[자료7. 하향식 모형과 상향식 모형]

출처: 기본12-14 전원구성계획을 고려한 에너지기후변화 정책분석 모형개발

2008년 Sue Wing은 상향식 모형과 하향식 모형을 통합한 하이브리드 모형을 제시했다. 전력부문을 운영관리, 송배전, 발전 활동으로 구분했다. 또한 발전부문의 생산을 고정된 비율의 본원요소를 이용하는 서로 다른 생산기술들 간의 조합으로 표현했다.

하이브리드 모형은 하향식 모형에 기초하기 때문에 사회계정행렬의 경제적 균형상태를 가정하게 된다. 따라서 파라미터를 추정하기 위한 캘리브레이션 과정에서 정상이윤, 중간재 시장의 균형, 요소시장의 균형, 개별 생산활동의 정상이윤, 재화 및 요소시장의 균형, 그리고 개별 기술 산출액과 개별 기술에 투입된 요소의 가치가 동일하다는 정상이윤 가정을 충족해야 한다.

*캘리브레이션(Calibration): 기준년도 내생변수와 외생변수의 값으로부터 대체탄력성과 계수 등 모수를 추정하는 과정.

하향식 모형의 균형조건 하에, 상향식 모형에서 공학적으로 도출된 생산기술별 투입계수를 도입하고, 투입계수와 실제 투입비율 사이의 차이를 최소화하는 생산기술의 투입 비중을 구할 수 있고, 이에 따라 각각의 생산기술에 정해진 본원요소가 배분된다. 이를 통해 상향식 모형과 하향식 모형을 통합하는 하이브리드 모형을 구성할 수 있다.

향후 보다 정교한 모델이 구성되어 에너지 및 환경 정책의 효과를 보다 면밀히 따져볼 수 있는 날이 오기를 기대해 본다.


참고문헌

[CGE 모형이란?]

Pauw, Kalie, 2003. Functional Forms Used in CGE Models

Philippidis (1999). Computable General Equilibrium Modelling of the Common Agricultural Policy, the University of Newcastle

Ian Sue Wing, 2009. "Computable General Equilibrium Models for the Analysis of Energy and Climate Policies," Chapters, in: Joanne Evans & Lester C. Hunt (ed.), International Handbook on the Economics of Energy, chapter 14, Edward Elgar Publishing.

 

[CGE 모형을 통한 탄소세 효과 분석]

진태영, 최가영, 이은미, 이수경 (2020). 이산화탄소 배출량 분해분석: 산업 및 에너지 소비구조를 중심으로. 환경정책, 28(2), 153-182.

박경원, 강성원 (2020). 에너지 세제 개편의 경제효과 분석: 에너지 부문의 상류탄소세와 하류탄소세에 대하여. 환경정책, 28(2), 49-77.

 

[CGE 모형의 한계점 및 개선 방안]

산업연구원 (2018), 에너지 전환정책의 파급효과와 제조업에 미치는 영향 분석

에너지경제연구원 (2012), 기본12-14 전원구성계획을 고려한 에너지기후변화 정책분석 모형개발

댓글2

  • 와우 일단 좋은 기사 잘 읽었습니다
    비전공자인 저에게 어려운 공식내용이 많아 두세번 정도 읽은 것 같네요ㅎㅎ 어려운 내용임에도 불구하고 탄소세에 경제공식을 적용하여 분석하는 필수적인 내용에 대해 알게 되어서 좋았습니다!
    기사를 읽으며 잘 이해되지 않는 부분이 두 가지 정도 있었는데, 첫번째로는 상향식 모형과 하향식 모형을 비교하면 상향식 모형이 보다 현실적인 결과를 도출할 수 있다고 했는데 하향식 모형인 CGE 모형이 왜 제목으로 쓰였는지 궁금합니다. 두번째로는 상향식모형과 하향식 모형을 섞어 하이브리드모형을 도출했다고 하는데, 상향식 모형에도 어떤 단점이 있었기 때문이었는지 궁금합니다! 기사를 잘 이해한 질문이었는지 모르겠네요ㅎㅎ 잘 읽었습니다~
    답글

    • 첫 번째 질문에 대한 답은 현재 전력 생산기술별 고정된 투입요소 비중(에너지, 자본, 노동력 등의 비중)을 추정하는 것은 경제학보다는 공학의 영역인데 이 추정이 쉽지 않다는 것입니다. 둘째로 (레온티예프 함수로 구성된) 상향식 모형에만 의존하지 않고 하이브리드 모형을 도입하는 이유는 시장 가격 등 제도적 변화에 따라 생산요소 혹은 생산기술의 포트폴리오가 변화한다는 사실을 모형에 반영하기 위함인데, 이는 기사 첫 문단의 내용과 크게 다르지 않습니다. 비전공자이심에도 꼼꼼히 읽어주시고 좋은 질문 주셔서 감사드립니다!