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전 지구적으로 지구온난화가 초래할 재난으로 온실가스 저감은 이제 국제적으로 피할 수 없는 각 국가의 중대한 현안 과제가 되고 있다. 한국도 기후변화에 관한 정부간 협의체(IPCC)의 국가온실가스감축목표(NDC: Nationally Determined Contribution)에서 자유로울 수 없다. 한국은 2030년까지 1.70억 톤을 감축하는 계획을 IPCC에 제출했다가 미흡하다는 판정을 받고 2018년 대비 40%를 감축하는 안을 수정 제출하였고 지난 2021년 말에는 2050년 탄소중립계획을 발표한 바 있다. 이제 국가적으로 2050년까지 약 30년 정도의 기간에 온실가스를 2018년 기준 7.28억 톤에서 2050년에 0.80~1.17억 톤까지 배출량을 축소해야 하는 부담을 지게 되었다.¹⁾

온실가스는 주로 화석에너지 사용으로 발생함으로 온실가스 감축은 에너지원을 화석에너지에서 신재생에너지로 전환하거나 또는 온실가스 분해 및 제거 기술을 통해 달성할 수 있다. 그러한 분해나 구축기술은 지금 개발 중이어서 현 단계에서는 당장 활용하기에는 한계가 있다. 따라서 현재 주된 통로는 신재생에너지로 에너지 전환을 통하여 온실가스를 감축해야 하는데 현재 한국이 전체 1차 에너지에서 신재생에너지가 차지하는 비중이 2019년 기준 2.31%로 10% 이상인 주요 선진국과 비교하면 매우 작다.²⁾ 전원별 신재생에너지의 발전 비중을 주요 선진국과 비교하면 절대비중의 격차는 더 크게 난다.³⁾ 현재 2% 초반의 신재생에너지 비중을 30년 이내에 약 50%로 늘린다는 목표는 결코 쉽지 않다.⁴⁾ 한국은 국토 대부분이 산지이기 때문에 태양광과 풍력의 설치단가를 낮추기 어렵고 날씨 등의 여건도 좋지 않다. 나아가 온실가스를 저감하기 어려운 상황으로는 산업구조가 제조업 비중이 약 30% 수준으로 선진국 10~20%보다 높고 에너지 다소비 산업으로 구성되어 있다는 점이다. 이런 상황에서 한국의 탄소중립의 이행 기간은 30년이란 한 세대 만에 달성해야 하는 상황에 직면해 있다.

에너지 전환을 급속히 추진할 경우, 기존 화석에너지 발전소 등은 좌초자산이 될 뿐만 아니라 국민경제의 생산공정과 소비에서 전환비용이 심각하게 발생할 것으로 예견된다. 이처럼 2050 탄소중립의 과제는 경제일변도가 아닌 실질적인 환경과 경제의 지속가능성을 반영한 성장을 이루지 않으면 안 된다는 것을 말한다.

따라서 전통적으로 경제학이 중요시하는 경제적 생산성(산출/투입)에 기초한 생산효율뿐만 아니라 환경효율이 동시에 중요한 시대가 되었다. 원래 환경효율성은 최소오염물을 실제 오염물로 나누어서 정의된다. 이 환경효율성의 한계는 제레미 레프킨(2012)이 지적하듯이 경제적 생산성을 고려하지 못할 뿐만 아니라 경제적 생산성에 대비한 환경생산성(산출물/오염물)을 보여주지 못한다. 따라서 본 연구에서는 에너지 효율을 보는 대표적 지표로 에너지원단위(에너지사용량/GDP)를 사용하듯이 이를 결합한 환경원단위(오염물 배출량/GDP)를 사용하여 환경원단위 효율(EIE: environment intensity efficiency)을 측정하고자 한다.⁵⁾ EIE는 최소환경원단위/실제환경원단위=(오염량/산출량)*/(오염량/산출량)를 말한다. 여기서 오염물은 지구온난화문제의 주범인 온실가스 즉 이산화탄소를 가리킨다. 이는 경제성장 속에서 탄소중립을 실현해야 하는 상반된 목표를 동시에 효과적으로 달성하는 지표로서 활용될 수 있다.

지금까지 전통적 환경원단위가 전반적인 경제의 환경적 건전성을 보여주는 지표로는 활용되어 왔다. 그러나 전통적인 환경원단위는 그 한계를 갖는다. 즉, 환경원단위를 구성하는 분자의 오염물이 많이 배출되어도 분모의 산출물(GDP)이 아주 크다면 환경원단위가 효율적이라고 간주할 수 있는 문제점이 있다. 나아가 환경원단위는 생산의 최종결과물로서 오염물과 산출물을 제시할 뿐이고 경제 구조가 암시하는 생산 과정의 환경효율을 보여주지 못한다. 무엇보다도 생산 단위가 얼마나 많은 오염물을 줄여야 하고 앞으로 저감이 필요한지에 대한 객관적인 목표를 제시해 주지는 못한다. 단지 비교 대상이 되는 생산단위에 비하여 환경원단위가 높고 낮음만을 보여주고 있다. 이처럼 본 연구는 전통적인 환경원단위가 환경과 경제의 지속가능성과 환경적 효율성을 보여주는 데에는 한계가 있다는 점에서 출발한다. 즉, 환경원단위(CO₂/GDP)는 현재 오염원단위의 적정수준이나 최소화의 달성여부를 보여주지는 못한다. 이와 반대로 EIE를 사용하면 이를 보여줄 수 있다는 장점이 있다.⁶⁾

따라서 본 연구의 목적은 오염물을 종속변수로 두고 산출물을 설명변수로 포함한 오염물 모형을 이용하여 환경효율과 생산효율을 추정함으로써 EIE를 측정하고자 함이다. EIE의 추이를 166개국으로 다 표시하기 어려우므로 5개 소득 그룹으로 나누어서 결과를 제시할 것이다. 추가로 EIE를 전통적인 환경원단위와 비교해 볼 것이다. 나아가 5개 소득그룹에서 나타난 이질적 국가들을 재분류하는 평균분산접근을 사용하여 5개 소득그룹에서 나타나는 국가별 이질성을 동질적인 4개 그룹으로 재분류하여 결과를 비교해 볼 것이다.

지금까지 확률변경분석(SFA: stochastic frontier analysis)에 기초하여 환경효율을 측정한 연구는 타 분야에 비하여 그렇게 많지 않다. Reinhard 등(1999; 2000; 2002), Cuesta 등(2009), Herrala and Goel (2012), Zhou 등(2011), Zhou 등(2015), Duman and Kasman (2018), Bai 등(2019), Hsiao 등(2019), Bibi 등(2021) 등이 SFA접근으로 오염물에 대한 환경효율성을 연구하였다. 선행연구는 확률변경거리함수, 생산함수를 이용한 환경효율의 측정 등을 중심으로 대별할 수 있다.

첫째, 확률변경거리함수를 사용하여 환경효율을 측정한 연구로는 Cuesta 등(2009), Herrala and Goel(2012), Zhou 등(2011), Duman and Kasman (2018)가 있다. Kang and Kang(2022)은 SFA접근으로 에너지 효율과 에너지원단위 효율을 측정한 바 있다. 여기서 Herrala and Goel (2012)의 비용접근 모형을 제외하고는 대부분 선행연구들은 주로 투입접근 환경모형을 사용하였다. 이들 중 특히 Cuesta 등(2009), Duman and Kasman(2018) 등은 확률변경거리함수를 쌍곡선 모형과 결합하여 환경효율을 측정한 연구를 시도하였다. 한편, Zhou 등(2012), Hsiao 등(2019) 등은 확률변경함수를 사용하여 에너지효율을 측정하였다. 한편, Kang and Kang(2022)은 투입물거리함수에서 거리함수의 동차성을 이용하여 에너지원단위를 종속변수로 두고 확률변경분석을 통하여 직접 에너지원단위 효율을 측정한 것이다. 본 연구는 환경원단위 효율을 측정하기 위하여 생산효율과 환경효율을 동시에 측정하는 확률변경분석의 오염물 모형을 이용한다는 점에서 차이점이 있다.

둘째, 생산함수를 이용한 환경효율의 선행연구는 Reinhard 등(1999, 2000, 2002), Zhou 등(2015), Bai 등(2019), Bibi 등(2021) 등을 들 수 있다. 특히 Reinhard 등(1999; 2000; 2002)은 생산함수에서 산출물을 종속변수로 두고 오염물을 설명변수로 사용하여 환경효율을 측정하였다. Reinhard(2002)는 환경효율을 측정한 후 Tobit모형으로 그 영향요인을 분석하였다. Zhou 등(2015), Bai 등(2019), Bibi 등(2021) 등은 Reinhard 등(1999; 2000; 2002)의 방법으로 환경효율을 농업 등에 적용한 연구들이다.

국내적으로 EIE관련 선행연구는 김광욱 등(2012)이 있는 데 이들은 SFA가 아닌 확률오차를 고려하지 않는 선형계획방법을 사용하였다. 이 논문은 개별오염원단위를 통합한 통합오염원단위지수를 사용하였고 일종의 여러 오염물과 산출물을 합친 종합 오염원단위를 의미한다. 본 연구에서 사용한 실제오염원단위에 대한 최소오염원단위의 상대적 비율인 오염원단위 효율성과는 차이가 있다. SFA를 사용한 환경효율의 국내연구로는 공지영 등(2016), 강상목(2017), 김길환 등(2019), 김길환(2020)이 있다. 그 중 강상목(2017)은 확률변경분석을 에너지효율에 적용한 연구이다. 공지영 등(2016), 김길환 등(2019), 김길환(2020)은 이산화탄소를 사용한 환경효율을 측정하였다. 그러나 지금까지 SFA 방식을 사용하여 EIE 측정을 시도한 연구는 거의 찾을 수 없다.

선행연구의 한계점으로는 환경효율을 측정한 연구들은 많이 존재하지만, 환경효율은 오염물과 실제오염물의 비율만 보여주므로 경제의 생산기술효율은 동시에 보여주지 못한다. 그러므로 환경과 경제의 지속가능성을 함께 보여주려면 오염물과 GDP 비율로 제시되는 환경원단위를 기초로 원단위효율을 측정하고 관리할 필요가 있다. 본 연구에서는 SFA접근에 기초하여 Herrala and Goel(2012)과 같이 비용접근의 오염물 추정을 통하여 환경효율과 생산기술효율을 동시에 측정한다는 점에서 선행연구와 차별된다.

따라서 본 연구에서는 전통적인 환경원단위가 존재하지만 ‘환경원단위가 효율성을 대표하는 지표인가?’에 대한 의문을 제기한다. 본 연구는 환경원단위는 환경원단위 효율과 다를 것이라는 가설을 설정한다. 특히 선행연구에서 생산효율, 환경효율을 각각 측정하였으나 이에 기초한 환경원단위 효율을 시도하지는 않았으므로 본 연구는 한 함수에서 두 효율을 동시에 측정하는 모형을 이용하여 환경원단위 효율을 측정하고자 한다.

본 연구에서는 비용접근의 확률변경함수를 사용하여 환경효율(EE: environmental efficiency)과 생산효율(TE: technical efficiency)을 동시에 추정하여 EIE를 도출하는 방법을 소개하고자 한다.⁷⁾ 본 연구는 환경오염원단위 효율 추정에 필요한 오염물 모형을 도입할 것이다.⁸⁾ 확률변경함수에 기초한 오염물의 환경효율은 다음과 같이 정의된다, 즉,

여기서 환경효율은 실제오염물(W)에 대한 최소오염물(W*)로 정의한다. 환경효율을 θ로 두면 최소오염물(W*)은 θW가 된다. θ는 환경효율로 W를 최소화시킨다.

다음으로 산출물의 생산효율은 다음과 같다.

생산효율(TE)은 실제산출물을 최대산출물로 나눈 것으로 정의한다. 생산효율을 δ로 두면 최대산출물(y*)은 y/δ가 된다. 그러므로 δ(=y/y*)는 최소화하여 y/δ를 최대산출물이 되게 한다. 따라서 EIE는 다음과 같이 유도된다.

EIE의 분자의 y*는 최대산출량, W*는 최소오염량이다. y가 최대산출량이 되고 W가 최소오염량이 될 때 W*/y*는 최소 오염원단위가 될 수 있다. 식(3)을 전환하면 EIE는 환경효율과 생산효율을 곱한 것으로 정의한다(=θ×δ). 환경효율과 생산효율을 동시에 추정하는 방법으로 여기서는 Herrala and Goel(2012) 등이 사용한 비용함수 접근을 사용한다. 이러한 EIE의 동시추정모형은 비용함수를 이용하여 도출한다. 먼저 이를 위한 비용함수 형태의 초월대수 확률변경함수의 추정식은 다음과 같다.

이는 이산화탄소(CO₂)배출량을 종속변수로 두고 자본스톡(K), 노동(L), 화석에너지(FF), 비화석에너지(NF), 산출량(y)을 설명변수로 둔 확률변경함수이다. u는 생산의 기술비효율오차이고 υ는 생산의 확률오차이다. 여기서 오염물은 최소화되어야 하므로 비용함수형태를 사용한 것이다. 확률변경비용의 형태이므로 식(4)에서 u가 음(-)이 아니라 양(+)으로 표시된 것이다. υ는 독립적이고 동일하게 iid∼N0,συ2로 분포한다. 환경원단위의 오차항(u)에 대한 분포가정은 단측 절단정규분포 (TND: truncated normal distribution)를 가정한다. 확률오차(υ)와는 독립적이고 임의의 점 μ를 기준으로 균등분포하지만 0에서 절단된 절단분포함수는 iid∼Nμ,σu2의 형태이다. 나아가 환경원단위 오차항이 분포가정에 따라서 변화하는지를 확인하기 위하여 환경비효율 오차(u)는 시간에 따라서 변화하는 형태를 가정할 것이다.

그런데 EIE를 도출하려면 오염물최소화의 환경효율이 구해져야 한다. 이를 위하여 생산비효율과 환경비효율이 모두 존재하지 않는 초월대수 확률변경함수가 필요하다. 이는 식(4)의 산출물에 최대산출물(y/δ)을 대입하고 환경비효율이 없도록 u_i=0으로 두면 된다. 두 개의 비효율이 존재하지 않는 오염물 함수는 다음과 같다.

식(4)가 생산효율과 환경효율을 동시에 만족시키려면 식(5)와 동일하면 된다. 그러므로 다음 조건이 만족되면 두 효율은 동시에 만족된다. 즉,

여기서 lnδ의 1차항의 계수를 b라 두면 lnδ에 대한 근의 값은 다음과 같다.

식(4)를 추정하고 도출한 계수를 이용하여 식(7)에 대입하면 δ값을 도출할 수 있다. 이 δ값이 산출물의 생산효율이다. 식(4)의 exp(-u)는 환경효율이다. 여기서 구한 두 값을 이용하여 EIE를 도출할 수 있다.

본 연구에서는 오염물 모형을 이용하여 환경효율과 생산효율에 기초한 EIE를 측정하여 보았다. 나아가 도출한 EIE를 전통적인 환경원단위와 비교하여 보았다. CO₂ 배출량 추정식에서 노동, 화석에너지, 산출물 등은 1% 유의수준에서 유의적이고 정(+)의 부호를 보여주었다. 세 변수 중 화석에너지의 추정계수가 0.795로 다른 변수보다도 CO₂ 배출량 증가에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다. 환경 비효율오차는 존재하고 시간에 따라 변화하는 것으로 나타났다. 또한 추정함수는 초월대수함수가 보다 적합한 모형으로 검정되었다.

CO₂ 배출량에 대한 환경효율은 완만하지만 매년 평균 0.5%의 수준으로 향상되는 추이를 보여주고 있다. 환경효율은 고소득그룹(G2), 저소득국가(G5), 하위중간소득그룹(G4) 등의 순서로 높게 나타났다. 생산효율의 경우도 매년 일정하게 증가하는 형태를 보였는데 국가별로는 고소득그룹(G2)과 OECD그룹(G1)의 순서로 높았다. EIE도 완만하지만 매년 증가하는 형태를 보였다. 고소득그룹은 생산효율과 환경효율이 가장 높아서 EIE가 높았다. 반면 OECD그룹은 생산효율은 높지만, 환경효율이 매우 낮기 때문에 EIE는 매우 낮았다. 상위중간소득그룹(G3)과 하위중간그룹(G4)도 생산효율은 높지만, OECD와 비슷하게 환경효율이 낮아서 EIE는 낮게 나타났다. 오히려 저소득그룹(G5)은 EIE가 높았다. 이는 저소득국가가 환경효율은 높으면서 생산효율이 낮은 편이 아니었기에 나타난 현상이다.

이러한 EIE의 결과는 전통적 원단위에서 보여준 5개 그룹의 순위와는 많이 상이하였다. 전통적 원단위는 저소득그룹(G5), 하위소득그룹(G4), OECD그룹(G1) 순으로 높게 나타났다. 상위중간그룹(G3)과 고소득그룹(G2)이 낮은 효율수준을 보여주고 있다. 특히 OECD그룹의 경우 EIE와 원단위의 순위가 크게 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 유사하게 고소득국가그룹(G2)은 환경원단위에서는 낮았으나 EIE에서는 가장 높았다. 이는 고소득국가의 경우 소득에 비하여 CO₂ 배출량이 적지 않지만, 실제 CO₂배출량이 거의 최소배출량에 근접되어 있기 때문에 환경효율이 가장 높았고 EIE가 가장 높게 나타난 것으로 보인다. OECD그룹의 결과에서 보듯이 전통적 환경원단위는 오염물이 많더라도 GDP가 크면 효율적으로 간주할 수 있기에 보완이 필요하다.

나아가 국가들이 상이한 그룹으로 분류되어 나타난 국가 간의 이질성을 동질그룹으로 전환하기 위하여 평균분산접근으로 재분류한 결과에 의하면 소득그룹별 EIE가 차이가 없던 결과가 그룹별로 가시적으로 원단위의 뚜렷한 차이를 보였다. 한국의 경우 EIE는 분석기간의 평균이 0.336로 전체 평균인 0.370보다 낮은 편에 속하였다. 이의 원인은 알려져 있듯이 한국이 화석에너지에 대한 의존도가 높고 산업구조가 중화학 공업의 비중이 높으며 에너지 다소비산업으로 구성비가 높기 때문에 GDP에 비하여 온실가스 배출량이 높기 때문인 것으로 보인다. 이미 주요 선진국들은 오래 전에 온실가스 저감계획을 실천하여 온실가스 배출이 시계열적으로 최고점을 지나서 감소패턴을 보이고 있다. 그러나 한국은 아직도 최고점에 이르지 못한 것으로 알려져 있다. 2021년에 2050탄소중립 계획을 수립하여 혁신적인 탄소저감계획을 발표하였으나 이를 실행하여 탄소중립으로 나아가기에는 30년이란 실행기간이 선진국에 비하면 매우 짧다. 향후 온실가스 저감계획을 추진하는 실행력이 한국의 EIE를 낮출 수 있는 관건이 될 것이다. 또한 이 탄소저감계획에서 GDP로 나타나는 경제성장이 어느 정도 제약을 받게 될 것인지도 중요하게 고려해야만 할 것이다. GDP 성장과 온실가스 저감은 동시에 추구되어야 할 하나의 과제로서 효율적인 탄소저감은 본 연구에서 제시한 EIE를 동시에 고려하면서 진행되어야 할 것이다.

본 연구의 실증결과를 통하여 얻게 되는 정책적 시사점은 첫째, EIE는 오염물을 최소화할 수 있는 저감가능성을 보여준다. 따라서 전통적 환경원단위보다는 보다 효율적으로 저감이 이루어지고 있는지를 보여줄 수 있다는 점에서 더 활용가능성이 높다. 둘째, 경제개발이 진행 중인 개도국들의 EIE보다 OECD 국가들의 EIE가 낮거나 비슷한 수준으로 나타난 것은 선진국 중심으로 주도된 온실가스 저감노력이 아직도 더 성과를 내야 할 것으로 보인다. 즉, 전통적 원단위는 지속적으로 개선을 보이지만 EIE는 개선해야할 여지가 많음을 보여주었다. 셋째, 저소득국가 등 소득이 낮은 국가들에서 EIE기준으로 효율이 낮은 편이 아니다. 하지만 경제개발의 속도가 빨라지게 되면 악화될 여지가 많으므로 이에 속한 국가들이 이산화탄소를 적게 배출하며 경제성장을 추구할 수 있는 성장경로를 찾을 필요가 있다.

본 연구의 한계점은 전반적으로 소득그룹에 따라서 경제발전의 단계가 상이할 것으로 본다면 경제발전의 산업기술에 차이가 있을 것이다. 이를 반영한 모형으로 기술격차를 고려한 메타 원단위 환경효율을 측정하고 그룹의 환경원단위 효율과 기술격차를 구분해서 측정하여 에너지전환과 환경규제에 따른 환경원단위의 변화에 대한 민감도를 측정할 필요가 있다. 이는 향후과제로 남긴다.