Assessment of Environmental and Economic Impacts of Technological Change in the Manufacturing Sector Based on the Hybrid Model ; 산업부문 기술변화의 환경적·경제적 영향 평가를 위한 상하향 통합모형 연구

Abstract

학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 협동과정 기술경영·경제·정책전공, 2020. 8. 구윤모. ; Bottom-up and computable general equilibrium (CGE) models are representative approaches in environmental analysis. The bottom-up model is technology-based and determines the optimal technology mix of an energy system. Since it is a partial equilibrium model, it is inappropriate to observe macro-economic changes due to reduction options. In contrast, the CGE model finds the general equilibrium of an economy and explores the macro-economic effects of reduction options. Since it offers only a limited description of technology, analyzing technology-level changes is difficult. Because of these properties, previous studies developed a hybrid model that integrates both models and allows both technology-rich and macro-economic analysis. This study develops a hybrid model for the manufacturing sector of Korea and explains its advantages in environmental analysis. The bottom-up model is developed using positive mathematical programming, which helps to maintain the data consistency of the hybrid model. The CGE model for environmental analysis is constructed based on the previous simple model. After developing the single models, this study integrates both models using the soft-link approach in which the models exchange information that they require. Based on the hybrid model, this study explores the environmental and economic impacts of technological change that arises from two sources. One source is new technology adoption, which increases the number of technology alternatives and sharply improves efficiency. The other is technology learning, which gradually improves efficiency based on technology capacity. The hybrid model integrates learning through the iterative approach. Although efficiency improvement has considerable emissions reduction effects, it also induces an unexpected rebound of emissions. This study assesses rebounding emissions due to technology efficiency improvement using the hybrid model. This study provides a new framework for a comprehensive analysis of the environmental and economic impacts of technological change. Moreover, policymakers can employ this study's hybrid model to investigate the impacts of reduction options and policies before setting a reduction target. ; 상향식 모형과 CGE 모형은 온실가스 감축수단과 감축정책의 효과를 분석하는 대표적인 모형이다. 상향식 모형은 기술을 명시적으로 표현할 수 있다는 장점을 가지고 있으며, 에너지시스템의 최적 기술조합을 찾아낸다. 그러나 상향식 모형은 부분균형모형이기 때문에 감축수단의 거시경제적 효과 분석에 어려움을 가진다. 반면, CGE 모형은 경제의 일반균형을 찾는 모형으로 감축수단의 파급효과 분석에 이용되어 왔다. 그러나 CGE 모형은 기술에 대한 설명이 제한적이기 때문에 기술 레벨 변화의 분석에 한계가 있다. 두 모형이 가지는 장점과 단점으로 인해 기존연구들은 두 모형을 결합하는 통합모형을 구축하기 위해 노력해왔다. 이러한 통합모형은 기술 레벨 효과와 거시경제적 효과를 모두 분석할 수 있다는 장점을 가진다. 본 연구는 국내 제조업 부문에 대해 통합모형을 구축하고 감축수단 분석에 있어 통합모형이 가지는 장점을 설명하고자 한다. 상향식 모형은 두 모형 간 기준연도 자료의 일치성을 확보하는 데에 유리한 positive mathematical programming 방법을 이용하여 구축되었다. 이 방법에 기반한 상향식 모형은 다중 기술선택과 점진적인 기술변화를 설명하는 데에 유리하다. CGE 모형은 이미 구축되어 있는 단순한 형태의 CGE 모형을 변형하여 배출량과 탄소세 효과를 분석할 수 있도록 구축되었다. 단독 모형을 구축한 후에는 두 모형 간 필요한 정보를 교환하는 연성 결합 방법을 이용하여 통합모형을 구축하였다. 본 연구는 구축된 통합모형을 이용하여 기술변화의 환경적•경제적 영향을 평가하였다. 먼저 기술변화는 신기술 도입으로 인해 발생할 수 있는데, 신기술 도입은 제조업 내 기술대안의 수를 증가시키고 급격하게 기술의 효율을 향상시킨다. 그리고 기술이용 경험이 축적됨에 따라 효율이 점진적으로 개선되는 기술학습의 형태로 기술변화가 발생할 수도 있다. 본 연구에서는 통합모형 내에 기술학습을 반영하기 위해서 모형의 해에 따라 기술특성치를 반복적으로 갱신하는 방법을 이용하였다. 효율 개선은 동일한 에너지서비스를 산출하기 위한 에너지소비량을 줄이기 때문에 국가 배출량을 줄이는 데에 기여하지만, 경제 내 산출 증가를 유도하여 배출량을 반등시키기도 한다. 본 연구는 기술 효율 개선으로 발생하는 배출량 반등을 통합모형을 이용하여 평가하였다. 본 연구는 기술변화의 환경적•경제적 영향을 종합적으로 분석하는 새로운 모형을 제시하였다. 통합모형은 기존 단독 모형의 단점을 극복하고, 감축수단과 기술변화의 효과를 방법론적인 제한 없이 분석할 수 있도록 한다. 따라서 본 연구가 제시하는 통합모형은 정부의 감축목표 달성을 위한 감축수단과 감축정책의 선제적 평가에 기여할 것으로 기대된다. ; Chapter 1. Introduction 1 1.1 Research background 1 1.2 Research purpose 3 1.3 Outline of the study 5 Chapter 2. Industrial bottom-up model based on positive mathematical programming 7 2.1 Introduction 7 2.1.1 Research background 7 2.1.2 Research purpose 9 2.2 Literature review 10 2.2.1 Previous industrial bottom-up model 10 2.3 Data 12 2.3.1 Technology characteristics 12 2.3.2 Base-year energy consumption 15 2.3.3 Energy service demand and final energy demand 18 2.3.4 Energy price 20 2.3.5 Emission coefficient 21 2.3.6 Other data 22 2.4 Model 23 2.4.1 Outline of the bottom-up model 23 2.4.2 Reference energy system 24 2.4.3 Objective function 26 2.4.4 Constraints 27 2.4.5 Static PMP-based bottom-up model 29 2.4.6 Decision variables 34 2.4.7 Scenario 35 2.4.8 Calculation of major results 35 2.5 Results 37 2.5.1 Calibration of base-year energy consumption 37 2.5.2 Simultaneous use of multiple technologies 38 2.5.3 Gradual technological change 39 2.5.4 Carbon tax simulation 41 Chapter 3. Computable general equilibrium model for environmental analysis 47 3.1 Introduction 47 3.1.1 Research background 47 3.1.2 Research purpose 48 3.2 Data 48 3.2.1 Social accounting matrix 48 3.2.2 Parameter 53 3.2.3 Emission coefficient 54 3.3 Model 57 3.3.1 Outline of the CGE model 57 3.3.2 Household behavior 59 3.3.3 Producer behavior 60 3.3.4 Government behavior 68 3.3.5 Investment behavior 70 3.3.6 International trade 71 3.3.7 Market clearing 73 3.3.8 Consumer price index 74 3.3.9 Recursive equation 75 3.3.10 Adjustment of labor productivity and energy efficiency 76 3.3.11 Carbon tax 77 3.3.12 Scenario 79 3.4 Results 80 3.4.1 BAU 80 3.4.2 Carbon tax simulation 83 Chapter 4. A hybrid model to assess environmental and economic impacts of technological change in the manufacturing sector 89 4.1 Introduction 89 4.1.1 Research background 89 4.1.2 Research purpose 91 4.2 Literature review 91 4.2.1 Integration approach 91 4.2.2 Previous hybrid model 93 4.3 Model 94 4.3.1 Outline of the hybrid model 94 4.3.2 Hybrid social accounting matrix 96 4.3.3 Modification of the bottom-up model 99 4.3.4 Modification of the CGE model 105 4.3.5 Information delivery from the bottom-up model to the CGE model 108 4.3.6 Information delivery from the CGE model to the bottom-up model 111 4.3.7 Convergence test 113 4.3.8 Calibration of domestic output 114 4.3.9 Scenario 115 4.4 Results 116 4.4.1 BAU 116 4.4.2 Impacts of new technology adoption 119 4.4.3 Carbon tax simulation 126 Chapter 5. Assessment of the rebound effect of efficiency improvement in the manufacturing sector based on the hybrid model 131 5.1 Introduction 131 5.1.1 Research background 131 5.1.2 Research purpose 132 5.2 Literature review 133 5.2.1 Classification of the rebound effect 133 5.2.2 Approaches to assess the rebound effect 134 5.2.3 Previous studies on the rebound effect 135 5.3 Rebound effect 137 5.3.1 Scenario 137 5.3.2 Calculation of the rebound effect 138 5.4 Results 140 5.4.1 Impacts of efficiency improvement 140 5.4.2 Direct rebound effect 141 5.4.3 Indirect rebound effect 147 5.4.4 Total rebound effect 149 5.4.5 Sensitivity test 150 Chapter 6. Assessment of environmental and economic impacts of endogenous technology learning in the manufacturing sector based on the hybrid model 153 6.1 Introduction 153 6.1.1 Research background 153 6.1.2 Research purpose 154 6.2 Literature review 155 6.2.1 Technological change in the bottom-up model 155 6.2.2 Technological change in the CGE model 157 6.2.3 Technological change in the hybrid model 158 6.3 Model 159 6.3.1 Outline of the hybrid model with learning 159 6.3.2 Learning in the bottom-up model 160 6.3.3 Iterative approach 162 6.3.4 Learning rate 162 6.3.5 Scenario 163 6.4 Results 165 6.4.1 Impacts of technological change through learning 165 6.4.2 Carbon tax simulation 170 6.4.3 Sensitivity test 174 6.4.4 Additional carbon tax simulation 177 6.4.5 The rebound effect of learning 180 Chapter 7. Conclusion 181 7.1 Concluding remarks and implications 181 7.2 Limitations and future research 184 Bibliography 185 Abstract (Korean) 204 ; Doctor