A hybrid energy system model to evaluate the impact of climate policy on the manufacturing sector: Adoption of energy-efficient technologies and rebound effects

Hwarang Lee, Sung Won Kang, 구윤모 (2020) · energy · DOI ↗

한국 제조업의 에너지 효율 개선 정책 의 rebound effect — 효율 개선이 생산 증가로 이어져 예상 배출 감축의 절반을 상쇄 — 을 hybrid-energy-system-model (bottom-up + top-down soft-link) 으로 정량화. 신기술 도입의 예상 감축 23.8 Mt CO2eq, 실제 감축 12.7 Mt (53%). 한국 정부의 2030 효율 개선 감축 목표 37.8 Mt 가 rebound 후 3 분의 1 만 달성 가능.

• RQ: 한국 제조업 에너지 효율 개선의 rebound effect 는 얼마나 큰가? bottom-up + top-down 결합 모형 으로 직간접 rebound 를 정량화할 수 있는가?
• 방법론: hybrid-energy-system-model — bottom-up-energy-system-model (기술 수준 효율 변화) + 연산일반균형 모형 (top-down, output 변화) 의 soft-link 반복. Direct rebound (효율 개선 부문) + indirect rebound (비연관 부문 + 가계) 분리
• 데이터: 한국 제조업 부문별 에너지 사용·배출·기술 채택 + GTAP 풍 CGE 모형
• 주요 발견: (1) 예상 감축 23.8 Mt CO2eq (rebound 무시) → 실제 12.7 Mt (53%) (rebound 포함). (2) 한국 정부 2030 효율 감축 목표 37.8 Mt → rebound 후 약 3 분의 1. (3) 대규모 + 배출 집약 산업 (철강, 석유화학, 시멘트) 의 rebound 가 큼. (4) 비연관 부문 + 가계 에너지 소비의 indirect rebound 도 유의 — 한 부문 효율 개선이 경제 전반에 파급.
• 시사점: 효율 개선 정책의 낙관 편의 위험 — 정부가 rebound 크기를 정확히 측정 해야 정책 정당성 + 감축량 예측 정확화. 총량 규제 (탄소세, ETS) 가 효율 개선 정책 의 rebound 를 흡수 가능.

Fig. 1 — 효율 개선 → 생산 증가 → rebound (직접 + 간접) 의 경로 분해.

요약

이 paper 는 구윤모 의 2 기 (2017-2021) 의 bottom-up + CGE 결합 모형 의 첫 응용. A bottom-up model of industrial energy system with positive mathematical programming (PMP 산업 bottom-up) + The differentiated impact of emissions trading system based on company size (CGE 분리 SAM) 의 두 도구를 통합 한 hybrid 모형 의 첫 paper. 후속 Economic impacts of carbon capture and storage on the steel industry: A hybrid energy system model incorporating technological change (2022 CCS), Effects of sector coupling on the decarbonization potential of the manufacturing sector—an integration of the power, hydrogen, and manufacturing sectors (2024 섹터 커플링), chang-kibyeong-2025-unicon-net-zero (2025 UNICON) 의 방법론적 출발점.

방법론적 핵심은 soft-link iterative coupling: (i) bottom-up 모형이 기술 수준 정보 (효율 향상, 신기술 도입) 산출 → CGE 에 기술 변화 input. (ii) CGE 가 output 변화 (rebound) 산출 → bottom-up 의 demand input update. (iii) 수렴 (∥수요 변화∥ < $\varepsilon$) 까지 반복. Direct rebound — 효율 개선 부문 자체의 output 증가 × 개선된 배출강도. Indirect rebound — 비연관 부문의 배출 변화 + 가계 에너지 소비 변화.

핵심 발견 — rebound 가 효율 정책 감축의 47% 를 상쇄. 23.8 Mt 예상 → 12.7 Mt 실현. 한국 정부의 2030 5 대 감축 옵션 (효율 개선, 신기술, 친환경 공정가스, 저배출 연료, 폐자원 재활용) 의 효율 개선 목표 37.8 Mt 가 rebound 후 약 3 분의 1. 이는 Sorrell & Dimitropoulos (2007) 의 rebound 가 효율 정책의 barrier 라는 경고의 한국 제조업 실증.

특히 흥미로운 발견 — 비연관 부문 (unlinked sector) + 가계 에너지 소비 도 유의한 rebound 발생. 경제의 sector 간 연결성 이 한 부문 효율 개선을 전체에 파급 — 즉 부문별 감축 목표 달성 이 국가 감축 목표 달성 을 보장하지 않는다.

구윤모 의 연구 궤적 안에서 이 paper 는 2 기 hybrid 모형 라인 의 최초 응용, 후속 모든 CCS + 섹터 커플링 + UNICON 작업의 방법론적 기반.

핵심 결과

항목	값 (Mt CO2eq)
예상 감축 (rebound 무시)	23.8
실제 감축 (rebound 포함)	12.7 (53%)
한국 정부 2030 효율 감축 목표	37.8
Rebound 후 예상 달성	약 12.6 (= 37.8 × 12.7 / 23.8 × 1/2)
Rebound 의 효율 정책 감축 상쇄율	47%

• 대규모 + 배출 집약 산업 (철강, 석유화학, 시멘트) 의 rebound 가 큼
• 비연관 부문 + 가계 에너지 소비 도 유의한 indirect rebound

방법론 노트

hybrid-energy-system-model soft-link iterative coupling:

Loop until convergence:
  1. Bottom-up (PMP): given demand D_t, technology costs c_t, solve technology mix x_t*, energy use E_t*
  2. CGE: given technology efficiency from (1), solve macro equilibrium → output Q_t*, demand D_t*'
  3. Compare D_t and D_t*'; if ∥D_t - D_t*'∥ < ε, exit; else D_t ← D_t*'

Direct rebound 측정: 효율 개선 부문 $s$ 의 output 변화 $\Delta Q_s$ × 개선된 배출강도 $e_s^{new}$.

Indirect rebound 측정: $\sum_{s' \neq s} \Delta E_{s'} \times e_{s'}$ + 가계 부문 $\Delta E_{HH}$. 두 합이 expected reduction 의 일부를 상쇄.

식별 가정: (i) bottom-up 의 기술 효율 모수 가 CGE 의 생산함수 와 체계적 정합, (ii) soft-link 의 수렴 보장, (iii) GTAP 풍 CGE 의 behavioral parameter (elasticity) 외생.

연구 계보

이 paper 는 (i) Sorrell & Dimitropoulos (2007, 2008) 의 rebound effect 라인, (ii) Bohringer (1998), Bohringer & Rutherford (2009) 의 hybrid energy-economy model 정통, (iii) A bottom-up model of industrial energy system with positive mathematical programming (PMP) + The differentiated impact of emissions trading system based on company size (CGE 분리 SAM) 직접 선행 — 의 결합. 구윤모 의 연구 궤적 2 기 hybrid 모형 라인 의 최초 응용, 후속 모든 CCS + 섹터 커플링 + UNICON 작업의 토대.

See also

• 구윤모
• Hwarang Lee
• Sung Won Kang
• hybrid-energy-system-model
• bottom-up-energy-system-model
• 연산일반균형 모형
• rebound-effect
• manufacturing-decarbonization
• energy
• A bottom-up model of industrial energy system with positive mathematical programming
• The differentiated impact of emissions trading system based on company size

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논문 (7)

• A bottom-up model of industrial energy system with positive mathematical programming
• A general equilibrium analysis of individual choice behavior on alternative fuel vehicles
• Comparative analysis of iterative approaches for incorporating learning-by-doing into the energy system models
• Economic impacts of carbon capture and storage on the steel industry: A hybrid energy system model incorporating technological change
• Effects of sector coupling on the decarbonization potential of the manufacturing sector—an integration of the power, hydrogen, and manufacturing sectors
• The differentiated impact of emissions trading system based on company size
• The Economic Impacts of Implementing Net Zero Policies in Korea: A Combined Top-Down and Bottom-Up Approach

인물 (1)

• 구윤모