Transcript 고갈자원의 시점간 최적 배분 - (경북대학교 경제통상학부 교수, 에너지

2015년 1학기
경북대학교 경상대학
경제통상학부
교수 : 김종달
과목 : 환경경제학
코드 : ECON541002
제5장 비생물자원의 경제학
• 비생물자원 (abiotic resources)
̶
재생될 수 없으며 없어지지도 않음
̶
화석연료와 광물자원은 고갈자원으로 분류
̶
화석에너지는 재활용될 수 없으나 광물자원은 부분적 재활용
대수층 물: 원상 회복 불가능, 없어지지는 않음(지하자원 동일)
̶
담수 : 재생가능 물의 총량에는 경제가 영향을 미칠 수 없음
토지, 태양에너지 : 경제에 의해 영향을 미치지 못함
제5장 비생물자원의 경제학
• 화석연료
̶
현대 시장경제는 화석연료로 가능(전체에너지 86% 공급)
̶
스톡과 플로어 : 추출과 폐기물은 생태계 안에서
1. 고갈되는 경합재화
2. 추출비용, 스톡정보 제한, 기반시설 제약으로 추출한계
3. 연료, 원료공급에 70억 인구가 의존
(고갈문제, 환경영향문제 중 어느 것이 먼저 심각해 지는 불확실)
• 광물자원
̶
고갈자원, 재활용가능
̶
효율적 사용, 대체물질 개발가능(특정 희소도 물질 있음)
제5장 비생물자원의 경제학
<그림 5.1> 광물자원의 추출과 고갈
실선: 지상의 저엔트로피로의 스톡의 축적
점선: 지하자원의 추출량(고갈)
제5장 비생물자원의 경제학
• 물
̶
스톡과 플로어: 식수, 관개, 산업, 폐기물 처리용
̶
펀드와 서비스: 흐르는 물
• 리카도 토지
̶
태양에너지와 강우를 포착할 수 있는 기본 토대라는
서비스를 제공하는 펀드
배재성과 경합성 (고갈은 되지 않음)
̶
• 태양에너지
̶
엄청난 양의 공간 복사로 지구생태계는 준안정 (meta-stable)
̶
엽록체에 대부분 포획, 화석연료 대안으로 어떻게 포획하느냐가 과제
̶
바이오메스, 수력, 풍력, 태양광전지, 파력, 해양, 열에너지
제5장 비생물자원의 경제학
제5장 비생물자원의 경제학
<표> 세계원유 수요 전망치 (단위: 백만 배럴/1일)
2012
OECD
2014
2015
2020
2025
2030
2035
46.0
45.4
45.2
44.2
43.1
41.8
40.4
37.8
40.1
41.1
46.6
51.8
57.0
62.1
인도
3.7
3.9
4.0
5.0
6.2
7.6
9.3
중국
9.7
10.4
10.8
12.7
14.4
16.0
17.5
유라시아
5.0
5.2
5.3
5.5
5.7
5.8
6.0
세계
88.9
90.7
91.6
96.3
100.7
104.6
108.5
개발도상
국
OPEC, World Oil Outlook 2013
제5장 비생물자원의 경제학
제5장 비생물자원의 경제학
석유 한계와 미래
1. “석유생산의 정점은 빠르게 다가오고 있으며 2006년쯤이 될 것이다”
- 캠벨, <다가오는 석유위기>
- 약 9,440억 배럴 소비, 7,640억 배럴 매장 추정, 1,420억 배럴 추가발견(미검증)
- 정점 후 매넌 2-3%씩 하락
2. BP 등 낙관론
- 2,000~9,000억 배럴 미검증 매장, 총 1조 2,500억~1조 9,500억 배럴 매장
- 60년 정도 소비충족 가능
3. IEA: 2013년-2037년 정점, 원유생산 정점 2006년
4. 2010년대 분쟁의 본격화
- 2020년경에 석유종말을 둘러싼 갈등이 극에 달할 것임
- 2010-2015년 갈등이 본격화 될 것으로 예상
(경제회복속도에 따라 달라질 것임)
제5장 비생물자원의 경제학
캠벨의 산유량 변화곡선
총매장량 2,100기가배럴(심해, 극지방포함)의 절반인 2008년에 최대생산량 도달,
석유생산량 감소시대 돌입. 이미 1980년부터 석유 발견량 < 석유소비량 : 석유대
차의 적자시대 시작
제5장 비생물자원의 경제학
세계 원유 생산량
1960년대 이후 대형 유전은 발견되거나 개발되지 않고, 소규모 유전만
개발됨.
제5장 비생물자원의 경제학
사우디아라비아 유전 빠르게 고갈되고 있어
제5장 비생물자원의 경제학
전통적 석유 생산의 정점 2006년에 지나
출처: IEA, 2010, World Energy Outlook.
제5장 비생물자원의 경제학
< 그 림 > 제1차, 제2차 석유위기
제5장 비생물자원의 경제학
결론
1. 스톡-플로어 : 화석연료, 광물자원 그리고 수자원 등 관리가 가능
경제의 물리적 성장은 유한한 스톡에서 공급되는 플로어를 사용
유한한 자원스톡은 총경제적 생산에 한계를 부여
성장의 한계는 고갈이 심각해져서야 대두
2. 펀드-서비스: 고정된 율로 지속적인 서비스(인간통제 불가능)
. 주어진 시점에서의 경제규모는 제한하지만
장기에 걸친 총생산에는 한계가 없음
4. 대체성 : 기술에 의존, 기술개발은 장시간 소용, 예측도 어려움
경쟁성 : 물과 태양에너지를 제외한 모든 비생물자원은 경쟁적, 분배가 중요
배재성 : 자원배분의 문제, 비배재성 자원은 시장이 배분하지 못하므로
다른 배분 메카니즘이 필요. 광선, 강우 등은
인간제도에 의한 배분이 불가능
제5장 비생물자원의 경제학
고갈자원의 스톡
•고갈자원이 추출되지 않은 상태
St = S0
(5.1)
S0 : 고갈자원의 스톡
St : t 시점에서 해당 자원의 스톡
고갈자원의 생성율(rate of creation)은 ZERO: 재생자원과 근본적 차이
•추출이 이루어지면
St = S0 - ΣRτ
(5.2)
Rt :: t시점에서의 추출률 또는 서비스 흐름.
시간은 τ = 0, 1, 2, . . . , t-1, t . ..∞로 표시
Rτ 만큼의 고갈이 이루어짐
S0 = ΣRτ :: 완전고갈
제5장 비생물자원의 경제학
고갈자원의 재활용과 가채매장량
•
Rτ - g τ > 0
(5.4)
gτ : 재활용율
Rτ - gτ : 단위 시간당 순추출율
• 고갈자원의 평가는 지질학적 스톡, 경제적 수요 그리고 기술적 요소, 생태계
영향을 동시에 고려해야 함.
카드늄, 수은이나 플루토늄 등 심각한 경우는 제한
• ϒ = Rt/Pt
(5.5)
ϒ : 가채년수
Rt, Pt : t 시점에서의 가채매장량과 자원채굴량
동태적 개념 및 질적인 개념의 고려가 필요
• 고갈자원 관리의 핵심은 시점간 효율적 자원배분
제5장 비생물자원의 경제학
<그림 5.2> 고갈자원의 시점간 최적배분
현재 수요
or MSB0
미래 수요
or MSB1
$
$
MEC0
MEC1
0
R0
R1
S0
고갈 자원의
스톡량
MSB0와 MEC0 : 현 시점의 사회적 한계편익과 한계추출비용
MSB1와 MEC1 : 현재가치로 할인된 미래시점의 한계편익과 추출비용
0S0 : 전 기간에 사용되는 고갈자원의 총량, R0R1량 만큼 여분 세대간 충돌 없음
(현재 자원사용의 기회비용은 0)
제5장 비생물자원의 경제학
<그림 5.3> 고갈자원의 시점간 최적 배분 (현실)
MSB1
MSB0
MSC
$
W
$
MUC
V
Pe
K
P0
MEC0
MEC1
0
R1
Re
R0
OR0 + R1S0 > OS0 : : 자원 부족 상황이 발생
MSB0 = MEC0 + MUC (한계사용자비용) = MSC
S0
(5. 7)
자원량
제5장 비생물자원의 경제학
고갈자원의 시점간 최적 자원배분
•
미래세대의 사용을 제약하지 않으면서 현재세대가 사용할 수 있는 최대량
은 OR1 이 이상의 사용은 기회비용 발생
• 기회비용인 한계사용자비용(MUC)은 MSB1과 MEC1간의 차이, 즉 미래세대
에 발생하는 할인된 순편익의 크기
• 현재 자원사용이 OR1을 초과할 때 사회적 한계비용(MSC)은
MEC0와 MUC의 합
• 최적 배분 조건은
MSB0 = MSC (MEC0 + MUC)
(5. 6)
• 시점 간의 최적 자원배분 : ORe와 SoRe (V에서 MSB0 = MSC)
• 시점간 한계순편익(MNB)은 동일. ORe에서 MSB0 - MEC0 = MSB1 - MEC1
• 고갈자원의 시점 간 최적배분은 자원사용의 마지막 단위에서의 한계순편익
이 전 기간에 걸친 한계순편익과 동일하게 될 때임
제5장 비생물자원의 경제학
<그림 5.4> 고갈자원 재활용 효과
$
$
MSB1
MUCw/0
(재활용 미포함)
MUCw
(재활용 포함)
MEC0
MEC1
0
MUCn
R1
R2
재활용시(추출비용까지 zero로 볼때) 시점간 최적 배분.
MSB0 = MSC = MEC0 + MUCn (MUCn=MUCw - MEC1)
S0
자원량
제5장 비생물자원의 경제학
고갈자원의 최적 가격과 최적 추출
• 가정
1. 고갈자원의 양과 장소는 알려져 있음, 소유권 명확히 설정
2. 완전경쟁시장, 소유자는 가격수용자
3. 수요 일정, 자원의 미래 가격 알고 있음
4. 추출비용 무시해도 좋은 정도로 작음
5. 사용시간은 소유자에 달려 있음 (일정한 장기시장이자율)
제5장 비생물자원의 경제학
고갈자원의 추출경로
• 두 가지 경우
판매 : 두 시점(t, t +Δt)간에 발생한 실질 자본수익율은 r
소유 : 미래 시점 가격, P(t +Δt)에 파는 경우인데 기대수익율은
(ΔP/Δt)/Pt = p t /Pt
(5.11)
Pt : t시점에서의 자원가격, t : 시간변수로 t = 0, 1, 2, ...,∞
ΔP = (P(t +Δt) - Pt),
p t : 단위 시간당 가격변화 즉 (ΔP/Δt)
p t
/Pt :: 일정시점에서의 자원가격에 대한 %변화를 의미
제5장 비생물자원의 경제학
호텔링 규칙
• 사례
10년 전 가격/ kg : $40(P0 = $40)
현재 가격/kg : $75(P10 = $75) (인플레이션 조정)
p t = ΔP/Δt = $3.50 ($3.50 /yr, kg)
단위 시간당 가격의 변화를 초기 가격의 값으로 나누어 얻은 값은 0.0875
즉, 고갈자원의 원래 가치는 년간 8.75%의 비율로 증가
p t
/Pt = 8.75%
• 자원 소유자는 자원가격의 증가율과 대체 자산의 수익률이 일치하게 되면
균형상태에 이르게 됨(추출과 소유 사이에 무차별하게 되는 상태).
(ΔP/Δt)/Pt =
p t /P = r
t
(5.12)
이것이 거래 항등식 또는 호텔링 규칙(Hotelling rule)
제5장 비생물자원의 경제학
<그림 5.5> 고갈자원의 시간경로
가격
수익률 r1
수익률 r0
P0
0
시간
수익률이 높을수록(가격상승) 추출율을 떨어뜨림,
즉 경쟁시장 시스템이 고갈자원의 절약: 고갈자원 배분을 시장에 맡기자는 주장
제5장 비생물자원의 경제학
<그림 5.6> 고갈자원의 최적경로
가격
추출
R0
Rm
Pm
P0 = Pe
최적 추출율
최적 가격 경로
시간
(a) 최적 가격경로
Te
(b) 최적 추출경로
완전경쟁시장 하에서 시점간 가격, 추출 자원배분의 파레토 퀘적
Tm 시간
제5장 비생물자원의 경제학
현실
첫째, 자원소유가 독점(monopoly)일 경우
Pm > Pe : (초기 독점가격 > 완전경쟁시장의 가격)
독점하의 파레토 최적 가격 및 추출 경로가 완만
이는 높은 초기독점가격과
이자율 증가율에 맞추어 상승하는 것은 가격이 아닌 한계수입
독점하에서는 한계수입이 가격보다 낮으므로
가격은 이자율보다는 낮은 율로 증가할 것임
경쟁시장 개발 (Te) 보다 고갈을 더 늦춤 (Tm): 독점이 진정한 절약친구?
그러나, 추출에서 규모의 경제가 발생하거나(비현실),
정부가 개발에 대한 보조금을 지원하면 상황이 달라질 수 있음
둘째, 외부성 존재(externality) 사적 한계사용자비용에 외부비용을 포함한
사회적 한계사용자비용을 반영하면, 사회적으로 최적의 초기가격은
Pe보다 높게 책정되어야 함
제5장 비생물자원의 경제학
현실
셋째, 실제 시장에서는 사적 할인율이 사회적 할인율보다 대체로 높음
미래가치와 비용에 대한 높은 할인율(discount rate)은 적용은
더 빠른 속도의 고갈을 야기함
넷째, 자원소유자는 미래 가격과 자원스톡의 조건 예상 불확실
특히 자연자원의 경우는 미래 시장부재(absence of forward markets)로
스톡과 수요 예측 어려움
자원소유자들이 위험기피자들이고, 근시안적 미래관을 갖고 있다면
불확실성은 자원채취를 가속화하는 방향으로 영향
제5장 비생물자원의 경제학
결론
• 특정한 고갈자원의 희소성은 장기 경제성장에 큰 장애가 안될 수 있음
획기적 신기술(backstop technology)
<그림 5.7>처럼 화석연료의 가격 계속 상승하여 Pmax에(기술적 가격한계선)
도달하면, 태양광이나 연료전지와 같은 대체자원의 경제성이 좋아지게 됨
“특정 자원의 고갈은 사건에 불과하지 재앙은 아니다” Solow.
• 그러나 성립조건은
1. 일반적인 자원희소 문제는 없어야 한다
2. 기술진보에는 한계가 없어야 한다.
3. 자원은 매우 탄력적이고 효과적인 제도적 기반 내에서 배분되어야 함
4. 고갈자원의 가격 경로가 지속적으로 증가해야 한다.
핵심 자원의 급격한 그리고 예측치 못한 고갈이 가져올 비연속적인
가격변화는 배제하고 있음
제5장 비생물자원의 경제학
<그림 5.7> 획기적 기술
화석 연료
가격
화석 연료의
장기가격 추이
Pmax
P0
0
T0
시간