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유이선(2019)은 CGE 모형을 이용하여 미세먼지 저감 정책의 파급효과를 추정한 결과 모든 시나리오에서 미세먼지 다배출 산업의 산출 감소폭이 매우 크게 나타나, 해당 산업이 오염물질 저감을 위한 기술개발에 더욱 적극적으로 투자할 필요가 있다고 보고 있다. 김영덕･조경엽(2005)은 CGE 모형을 사용하여 GDP 손실을 최소화하면서 주어진 대기질 목표를 달성하기 위하여서는 강제적 규제(Command and Control: CAC) 보다는 배출권거래제와 같은 시장메커니즘을 활용하는 것이 바람직함을 보여주고 있다. Nam, Selin, Reilly and Paltsev(2010)는 대기오염의 누적적 사회 경제적 영향을 평가하기 위한 CGE 모형을 통하여 서유럽의 18개 국가에서 2005년 현재 2000년 불변가격 기준으로 서유럽은 2,200억 유로의 소비손실을, 그리고 3,700억 유로의 후생복지 손실이 발생한 것으로 추정하였다. Böhringer and Löschel(2004)은 지속가능성 영향평가(sustainability impact assessment)를 위한 유연한 기본 도구로서 CGE 모형을 사용하였다. 이들은 지속가능성 지표에 해당하는 변수들의 변화를 시뮬레이션 결과로부터 분석하는 방안을 제시하고 있으나, 구체적인 의사결정 도구를 제시할 정도의 구체성은 갖추지는 못하고 있다. Antimiani et al.(2014)는 2035년까지 개발도상국과 선진국의 경제 성장과 저탄소 목표 사이의 상충 관계를 동태적 CGE 모형인 GDynE을 사용하여 분석한 결과 온실가스 저감 비용이 개발도상국의 경제 성장에 미치는 영향을 분석하였다. Nugent and Sarma(2002)는 개발도상국에서 정책변화를 통하여 환경, 소득수준, 형평성을 동시에 개선하는 것이 가능함을 확장된 CGE 모형을 통하여 보여주었다. Lin and Jia(2018)는 중국에서 높은 탄소세율을 적용하는 탄소세제를 채택함으로써 온실가스 배출 저감을 극대화하고 GDP에 대한 영향은 미미하게 유지할 수 있다는 것을 보여주었다. 문승운(2019)은 한국, 중국, 및 일본의 미세먼지 다국가 연산일반균형모형(PM_2.5 Multinational CGE, 이하 PMCGE)을 구축하여 분석한 결과 특정 국가의 환경정책은 자국 내에서는 효과를 나타낼 수 있으나, 다국가 간 관계를 고려한 통합적인 관점에서는 국가 간 경쟁 및 교역으로 오히려 미세먼지의 총량이 증가할 수도 있음을 발견하였다.

이들 연구는 CGE 모형을 통하여 환경개선의 경제적 비용을 계산하는 방식으로 환경과 경제의 상충관계를 보여주고 있다. 여러 시나리오가 모두 효율적인 결과를 가져오지는 않으며 직접규제를 통한 환경개선은 비효율적이다. 대체로 탄소세나 배출권거래 등 경제적 수단을 적용할 경우 이들 결과는 효율적 생산가능경계상에 있는 것으로 간주할 수 있을 것이다.

한편, 대기오염의 환경적 영향의 화폐적 가치를 추정하는 연구들은 환경개선 편익의 화폐적 가치평가에 주력하고 있으며 대기오염 저감의 경제적 비용은 고려하지 않고 있다. 강만옥 등(2015)은 EU(2005)의 추정결과로부터 편익이전(Benefit Transfer) 기법을 적용하여 우리나라의 배출계수 및 CAPSS 데이터의 두 가지 방식으로 추정하였다. 강만옥 등(2015)의 CAPSS 방식으로 추정된 경유로부터의 총대기환경비용은 14,991,259백만원이다. 그리고 NOx 배출량은 268,999톤이다. 따라서 경유로부터의 NOx 1톤 배출에 해당하는 대기환경비용은 55,729,794.53원이다.²⁾

조용성 등(2003)은 대기오염물질 농도의 변화에 따른 조기 사망자 수 증감에 관한 결과와 추정된 통계적 인간 생명의 가치를 결합하여 대기오염 개선에 따른 사망률 감소의 경제적 가치를 추산하였다. 이산화질소(NO₂)의 농도가 1% 감소하는 경우 이에 따라 호흡기계 조기 사망자 수는 0.632% 감소하게 되며, 이는 2000년 전국 호흡기계 조기 사망자 수(16,105명)를 기준으로 약 102명의 조기 사망자 수가 감소하는 효과에 해당한다. 또한, 102명의 조기 사망자 수 감소의 경제적 가치는 최소 약 4.7억 원으로부터 최대 7.6억 원에 해당하는 것으로 추산된다. 따라서 이산화질소 농도의 1% 감소에 따른 경제적 가치는 호흡기계 질병으로 인한 조기 사망자 수의 변화라는 측면만을 가정하여 살펴볼 때 약 4.7억∼7.6억 원에 해당하는 것으로 추산되었다.

환경과 경제적 비용을 동시에 계산하여 두 가지 요인을 종합적으로 고려한 연구들도 있다. Parry and Small(2005)의 방법론을 적용한 정용훈 등(2013)은 유류사용이 환경오염, 교통혼잡을 일으키지만 동시에 노동 공급변화를 통하여 세수를 감소시킨다는 점을 고려한 후생함수³⁾를 적용하여 우리나라의 최적휘발유 유류세율을 계산한 결과 리터당 382원으로 계산되었다. 이 값은 당시의 휘발유에 대한 현행유류세율 보다 낮은 것이었다. 황인창(2016)은 국내에서 기후경제통합-지역평가모형을 개발하기 위한 첫 번째 단계로서 사회후생함수를 중심으로 기후경제통합-지역평가모형을 이론적으로 유형화했으며, RICE(Regional Integrated Climate-Economy Model) 모형을 통해 기후변화 대응전략에 따른 국가별 기후변화정책의 변화를 수치적으로 살펴보았다. 연구결과는 사회후생함수의 선택에 대하여 최적 대안이 민감하게 변할 수 있음을 보여주고 있다. 이효창･한택환(2016)은 경유소비량 변화율과 GDP 변화율의 함수로 이루어진 콥-더글러스 형태의 사회후생함수를 상정하여 최적 경유세를 도출하였다. 그러나 이러한 시도는 사회후생함수의 파라메터 추정방식에 자의성이 존재한다는 점에서 제약이 있으며, CGE 모형에서 에너지 투입을 레온티에프 함수형태로 처리하였고 2010년 산업연관표를 사용하고 있다는 한계도 있다. 본 연구는 이 연구의 부족한 점을 개선하고 기존 환경 가치평가 연구결과를 적용하는 것에서 더 나아가 사회효용함수를 직접 실증적으로 추정하여 사용하는 방안을 제시하고자 한다.

본 연구는 전술한 바와 같이 생산 측면에서의 환경과 GDP의 상충관계와 효용 측면에서의 환경과 화폐적 가치의 대체관계를 동시에 고려하여 최적 대안을 구하는 것을 목적으로 하고 있다. 두 가지 측면을 한 모형에 결합하기 위하여 GDP 와 화폐적 가치를 동일한 것이라고 가정하였다.

다음 <그림 1>의 연구 개념도를 보면 GDP-대기질 생산가능곡선은 한 경제가 도달 가능한 GDP와 대기질의 효율적인 상태를 나타낸다. 이것은 본 연구에서는 다수의 경유세율 시나리오를 충격으로 주는 CGE 연산을 통하여 얻는다. GDP와 대기질은 모두 지수화하였으며 기준시점의 GDP 지수와 대기질 지수는 모두 1이다.

<그림 1> 
연구개념도

CGE 연구를 포함한 대개의 연구는 특정 환경정책을 수행할 때의 GDP 손실액과 같은 형태로 연구결과를 표현한다. 이때 경유세와 같은 환경정책에 따른 환경개선의 크기를 계산해 내면 이 둘의 비율, 즉 GDP 손실액÷환경개선 크기는 환경과 GDP의 상충관계(tradeoff) 비율로서 기준점에서의 생산가능곡선의 기울기로 해석된다. 이것은 생산가능곡선상의 한 점인 기준점(현 상태)에서의 환경개선의 경제적 비용을 보여주는 것이다.

한편 <그림 1>에서 기준점 A를 지나는 선형의 사회무차별곡선의 기울기는 사회적 효용의 관점에서 기준점에서의 대기질 1단위와 등가인 GDP의 크기를 나타낸다. 대부분의 환경 가치평가 연구 역시 환경개선 1단위에 대한 지불의사 등 단일한 상숫값을 보여주고 있으며 기준점 A를 지나는 직선으로 표현되는 사회무차별곡선의 기울기이다.

기존의 연구들은 생산가능경계의 기울기 단일 값 혹은 사회효용곡선의 기울기 단일 값 중 하나만을 제시하여주고 있다. 따라서 의사결정에 필요한 정보를 주지 못하고 있다. 그렇다면 기존의 연구결과를 결합하여 의사결정의 기준으로 삼을 수는 있을까? 여기에 대한 답은 <그림 1>에 나타나 있다. 기준점 A에서 생산가능곡선의 접선의 기울기 즉 대기질의 한계비용보다 선형의 사회무차별곡선의 기울기 즉 대기질의 한계편익이 더 크다. 따라서 기준점에서 보면 대기질은 개선하는 것이 사회효용을 증가시킬 것이라는 결론은 내릴 수 있다. 하지만 대기질을 어느 수준까지 개선해야 하는지 그리고 경유세율은 어느 수준으로 책정하여야 하는지에 대한 구체적인 답은 주지 못한다.

이러한 통합된 의사결정에 필요한 정보를 얻기 위해서는 기준점에서의 대기질의 기회비용이나 대기질의 사회적 가치의 단일 값들을 구하는 것으로는 불충분하며 연속적인 함수형태로 생산가능경계를 추정하고 또한 연속적인 사회효용함수(사회무차별곡선)를 추정하여야 한다. 생산가능경계는 CGE 모형을 이용하여 도출할 수 있다. 경유에 대한 유류환경세를 인상하면 이는 GDP는 감소시키지만 경유 소비의 감소를 통하여 대기질이 향상된다. 일반적으로 환경세나 배출권거래는 효율적인 제도라고 간주하므로 각 경유세율 시나리오에 상응하여 계산된 GDP는 이러한 대기질을 달성하면서 달성할 수 있는 최대의 GDP 값이라고 볼 수 있다. 따라서 이렇게 여러 개의 경유세별 CGE 연산결과를 GDP-대기질 공간상에 표시하면 이를 GDP-대기질의 효율적인 생산가능경계라고 볼 수 있다.

한편 대기질의 화폐가치를 추정한 연구들은 기준점에서의 대기질 개선의 화폐적 가치를 추정한 것이다. 그러므로 이는 기준점인 A 점에서의 사회무차별곡선의 접선의 기울기라고 볼 수 있다. 그러나 우리에게 필요한 그것은 한 점에서의 접선의 기울기가 아니라 사회무차별곡선 전체에 대한 정보이다. 즉 사회효용함수의 추정이 필요하다.

통상적인 한계대체율이 체감하는 사회무차별곡선을 추정해낼 수 있다면 우리는 B 점과 같은 사회적 최적점을 구할 수 있다. 사회효용함수를 구하는 첫 번째 방법은 A 점에서의 기울기를 CVM 연구결과 등을 통하여 알 수 있을 때 특정의 함수형태를 적용하여 구하는 방식이다. 두 번째 방법은 설문지 등을 이용하여 사회효용함수를 통계적으로 추정하는 방법이다.

이처럼 생산가능경계와 사회무차별곡선을 구하면 그다음 단계는 그 접점을 구하는 것이다. 접점 B는 생산가능경계상에 있는 점 중에서 사회효용이 극대화되는 점이다. 따라서 생산가능경계상의 대기질과 GDP를 사회효용함수에 대입하여 얻은 사회효용 값 중 최댓값을 가져오는 상태가 접점 B이며 이때 사회효용이 극대화된다.⁴⁾

생산가능경계상의 각 점은 특정의 경유세율과 대응하고 있다. 그러므로 사회효용의 크기를 경유세율의 함수로 표현할 수 있으며 이를 그래프로 표현한 것이 <그림 1>의 아래에 있는 그래프이다.

본 연구에서의 CGE 모형은 2015년 산업연관표를 바탕으로 휘발유, 경유, LPG 등을 별도로 분류한 사회회계행렬을 구축하여 이를 바탕으로 GEMPACK 소프트웨어를 사용한 ORANI 모형의 변형 모형을 구축하여 분석하였다. 본 논문에서 최종적으로 사용한 모형은 2002년 Mark Horridge에 의해 개발된 ORANIG-NM(No Margin)을⁵⁾ 한국 데이터와 실정에 맞게 변형한 KORANIG-NM 모형이다. 즉 28개 산업과 28개 제품으로 분류된 호주모형을 우리나라 데이터 및 연구목적에 맞게 41산업-41제품 모형으로 변환하였으며, 교역재와 비교역재로 나누어진 호주모형의 구분을 없애고 또한, 4분류 노동으로 구성된 원래의 호주모형을 우리나라 데이터 실정에 맞게 하나의 노동으로 통합하였다. 41개 부문의 데이터들은 2015년 산업연관표의 기본부문(384개)을 본 연구 대상에 맞게 41부문으로 재분류하여 구하였다(<표 1> 참조).

에너지는 휘발유, 경유, LPG, 도시가스, 광산품, 석탄 및 석유제품의 6개 에너지원으로 이루어진 에너지 복합재가 노동, 자본과 함께 생산요소의 하나로 CES 함수로 설정되는 KLE(Capital-Labor-Energy) 모형을 사용하였다. 일국에서 생산되는 각 산업의 산출량은 사용된 투입량의 함수이다. 이는 다음 <그림 2>처럼 일련의 계층 구조로 묘사할 수 있다. 산출량은 중간투입 복합재와 에너지-본원요소복합재의 레온티에프 함수이다. 각 중간투입 복합재는 아밍턴 함수에 의하여 결정되며 이는 중간재로 투입되는 상품이 무역을 통해서 수입재화가 국산재화를 완전하게 대체할 수 없다는 것을 가정하고 있다. 에너지 복합재는 노동-자본의 복합재인 본원요소 복합재와 결합하여 에너지-본원요소 복합재로 구성된다. 생산함수에서 에너지 복합재와 본원요소 복합재의 대체관계를 고려하면 에너지 가격 상승으로 인한 충격에 있어서 대체를 허용하지 않았을 때보다 완화할 수 있다는 장점이 있다.

<그림 2> 
본연구의 CGE 모형에서의 생산의 계층적 구조

자료: Yusuf and Resosudarmo(2007)

이 CGE 모형을 사용하여 경유세의 인상률을 5%에서 200%까지 5% 간격으로 40회에 걸쳐서 충격을 주어 연산한 결과로부터 GDP 변화율과 경유 소비 변화율로부터 GDP 지수(=1+GDP 변화율)와 대기질지수(=1-경유 소비 변화율)를 계산하여 이를 선으로 연결한 것이 생산가능경계이다.⁶⁾ 대기질은 전술한 바와 같이 에너지 연소로부터 배출되는 질소산화물(NOx) 배출량으로 간주하였고 경유 소비량에 비례하는 것으로 가정하였다. 그러므로 대기질지수는 경유소비량 감소지수(1-경유 소비 변화율)와 동일하며, 이는 경유소비량 지수의 역수와 동일한 개념이다.

한편 본 연구에 사용된 CGE 모형에서 경유세율에 대한 충격은 각 산업에 투입되는 경유제품과 최종수요(수출 제외)에서의 경유제품에 대한 물품세를 경유세로 간주하여 이들 세율의 파워(power=1+세율: GEMPACK 소프트웨어에서의 파라미터)에 충격을 주는 방식으로 CGE 모형을 연산하였다. 즉, 경유에 대한 유류세의 법정 세율구조를 직접 CGE 모형에 포함한 것이 아니라 각 산업에 대한 경유의 투입 및 경유 최종수요에 실제 부과된 물품세 데이터를 기반으로 모형 내에서 계산(calibrate)되어 생성된 세율의 파워(power=1+세율)에 대하여 충격을 주는 방식을 적용하였다. 경유는 일부 화물차, 버스, 산업용 사용에 대해서는 면세 혜택이 있는데 이러한 산업에 투입되는 경유에 대한 물품세(=유류세)의 세율 데이터는 이미 이를 반영하여 낮게 형성되어 있다. 따라서 모형에서 면세산업에 대한 고려를 별도로 할 필요는 없다. 참고로 본 연구의 연구대상 시점인 2015년 현재의 유류세율 세율표는 <부록 1>에 나타내었다.

본 연구에서 사회효용함수를 추정하는 방법은 두 가지를 사용하였다. 하나는 기존의 경유의 환경피해 가치평가로부터 통상적인 형태의 사회효용함수를 계산(calibration)을 통하여 도출하는 방법이며 또 다른 하나는 변형된 선택실험법을 적용하여 설문지로부터 얻은 데이터를 통하여 실증적으로 사회효용함수를 추정하는 방법이다

CGE 모형을 통하여 GDP와 대기질의 상충 관계를 계산한 결과가 <표 3>이며 이를 그래프로 도시한 것이 <그림 4>이다.

<그림 4> 
CGE의 반복적 연산을 통하여 도출된 GDP 지수-대기질 지수 생산가능 경계 그래프

<그림 4>에서 가로축은 (1-경유소비 변화율)이며 세로축은 (1+GDP 변화율)이다. 이 곡선을 GDP 지수와 대기질지수(경유소비감소지수)로 표시된 생산가능경계로 간주할 수 있을 것이다. 이 생산가능경계의 형태는 원점에서 오목한 형태일 때에 구석해가 아닌 최적점이 구해질 가능성을 크게 해준다. 이를 확인하기 위하여 2차 함수형태로 회귀분석을 한 결과 y=-0.0029x² + 0.0005x + 1.0023이고 R²=1.000으로 추정되어 분명한 오목성(Concavity)이 있음을 확인하였다.

사회효용함수를 구하는 두 가지 방법 중 캘리브레이션에 의한 방법은 콥-더글러스 함수형태를 가정하고 앞에서 도출된 (식 1)을 적용하여 구하였다. 2011년 GDP는 약 1388조 9370억원이며, E (=NOx 배출량)는 2011년에 E =268,999톤이었다. M 은 E 한 단위당 편익의 기회비용으로서 강만옥 등(2015)에 의하면 톤당 55,729,794.53원이다. 앞의 (식 1)을 적용하면 α=0.010678이고 β=0.9893227이다. 이를 (식 2)에 적용하면 사회효용지수함수는 다음 (식 3)과 같이 추정된다.

사회효용함수를 추정하기 위한 또 하나의 방법인 변형된 선택실험법의 적용과정과 결과를 설명하면 다음과 같다. 설문은 97명에게 발송되었으나 설문의 불성실 작성 등으로 인하여 41명의 설문지만이 채택되었다. 이 41명에게 일인당 30건의 선택 데이터가 생성되었으므로 표본 수는 1,230개이다. 이 1,230개 표본에 대한 기초통계량은 다음 <표 4>와 같다.¹¹⁾

OLS를 통하여 추정한 사회효용지수함수의 추정결과는 다음과 같으며¹²⁾ 함수형태가 α+β<1로서 규모에 대한 수익이 체감(DRS: Decreasing Returns to Scale)하고 있으며 한계효용이 체감하는 일반적인 패턴을 따르고 있다. 수학적인 방식으로 캘리브레이트한 콥-더글러스 효용함수에서는 규모에 대한 수익 불변(CRS: Constant Returns to Scale)을 가정하였으나 통계적 추정결과는 DRS로 상이하게 나타났다.

사회후생함수를 구하는 데 있어서 탄성치는 9%, 10%, 11%를 각각 적용하였다. 탄성치를 이렇게 정한 근거는 다음과 같다. 2015년 4월부터 2019년 4월까지의 월별¹³⁾ 데이터를 사용한 OLS 단순 회귀분석 결과 PM_2.5 전국평균농도의 최종에너지에 대한 탄성치가 1.377로 추정(R²=0.19)되어 에너지사용과 초미세먼지농도 간의 상관관계를 보여주고 있다. 석유류에 대한 탄성치는 0.55(R²=0.015)였으나 통계적 유의성이 낮았다. 그러나 본 연구에서는 이 탄성치에 바탕을 두고 유류 소비 중 경유의 비중이 17%인 것을 기계적으로 작용하여 10%의 탄성치를 적용하였다. 즉, β=0.1이다. 전술한 바와 같이 향후 보다 완전한 형태의 미세먼지 농도함수가 개발되면 향후 이를 본 모형에 적용할 수 있을 것이다. 이처럼 탄성치 10%의 실증적 이론적 증거가 불완전하므로 민감도분석으로서 9% 및 11%에 대하여서도 사회효용함수를 계산해주어 비교하는 접근방법을 취하였다.

9%, 10%, 11% 탄성치를 적용하여 변형된 선택실험법에 따른 OLS 추정결과는 다음 <표 5>와 같다.

이 3개 결과와 앞에서 캘리브레이트 방식으로 도출된 사회효용지수함수를 합한 4개 사회효용지수함수에 생산가능경계상의 GDP 지수와 대기질지수 값을 대입하여 계산한 결과를 경유세 인상률에 대응하여 나타낸 것이 <표 6>이며 이를 그래프로 그린 것이 <그림 5>이다.

<그림 5> 
경유세인상률에 따른 사회효용지수 패턴

최적의 경유세 인상률은 캘리브레이션 함수의 경우 140∼145%¹⁴⁾, 9% 탄성치의 경우 15%, 10% 탄성치의 경우에는 35%, 11% 탄성치의 경우에는 55%이다. 최적값은 탄성치 설정에 대하여 민감하였다. 이중 중간 정도의 값인 탄성치 10%를 가정하였을 때의 35% 최적 경유세 인상률은 경유가격에서 물품세가 차지하는 비중이 약 50%인 점을 고려하면 대략 17% 정도의 경유 가격 인상률에 해당한다.