Energy and economic growth: causality analysis using decomposed energy consumption

Jinsoo Kim, 허은녕 (2012) · Geosystem Engineering 15(3):171-178 · DOI ↗

경제성장과 에너지 소비의 decoupling 논쟁을 다루기 위해 LMDI 분해 으로 에너지 소비를 강도·구조·생산 효과로 분해한 뒤, 순 생산효과 시계열에 대해 VECM 기반 Granger 인과검정을 수행한다. 미국·한국 1980-2007 13개 산업 부문 데이터에서 conventional 인과검정으로는 보이지 않던 양방향 인과관계가 LMDI 분해 후에 드러난다 — 특히 미국의 경우 short-run·long-run·joint 모두에서 GDP↔분해 에너지 소비 양방향 인과가 1% 유의. decoupling 은 강도·구조 변화에 의한 외관일 뿐, 순 에너지·성장 결합은 견고.

RQ: 경제성장과 에너지 소비의 인과관계가 강도·구조 효과에 의해 가려진 “hidden” 형태로 존재하는가? Decoupling 가설은 분해되지 않은 총량 지표에서만 성립하는 외관 현상인가?
방법론: LMDI 분해 (Ang-Zhang-Choi 1998, log-mean Divisia index) 으로 강도·구조·생산 효과 분해 → 그레인저 인과 검정 / 벡터 오차 수정 모형 (Engle-Granger 1987) 로 short-run · long-run · joint 인과검정. Unit root 검정 (PP, DF-GLS, KPSS), 공적분 rank (Johansen 1995), optimal lag 선택 (AIC/HQIC/SBIC, max lag 3 per Schwert 1989).
데이터: 미국 + 한국 13개 산업 (농림수산·광업·식음료·섬유·종이·화학·비금속·금속·기계·운송장비·건설·상공·기타) 1980-2007. 미국 부가가치 → BEA, 한국 GDP → 한국은행, 에너지 소비 → OECD energy balance. 발전소 1차에너지 손실을 부문별 전기소비 비중으로 재할당.
주요 발견: (i) 모든 변수 level 은 non-stationary, 1차 차분 시 stationary → I(1). (ii) 공적분 관계 6쌍 모두 유효. (iii) 한국: GDP↔에너지 소비 long-run 양방향 인과 (10.96**, 4.58**), GDP↔분해 에너지 소비도 long-run 양방향 + joint (23.58**, 20.44**); 강도·구조→GDP 단방향 long-run 인과 (10.28**). (iv) 미국 conventional: GDP→EC short-run 인과만 (7.41*, GDP↔EC 양방향 long-run 약함). 미국 분해 후: GDP↔분해 EC short-run (6.90*, 13.24**) + long-run (2.86**, 4.03**) + joint (8.81*, 16.87**) 모두 1% 유효. 강도·구조 효과는 GDP↔IS 양방향 인과 (long-run 2.63**, joint 48.37**) — 미국은 강도·구조가 GDP 와 강하게 상호작용. (v) 결과 해석: 미국의 decoupling 은 산업구조·에너지효율 변화에 의한 외관 일 뿐, 순 생산효과와 GDP 는 여전히 양방향 결합.
시사점: 에너지·성장 nexus 논쟁은 분해되지 않은 총량 시계열만으로는 판정 불가. 분해 기반 인과검정 이 선진국·개도국 비교에 표준 도구가 되어야 한다. 한국은 에너지 집약 산업 비중이 여전히 크고 강도 개선 여지가 남아 있어 decoupling 자체가 아직 미관측 단계.

요약

이 paper 는 허은녕 의 1기 (1998-2008) 에너지·자원 시계열 분석 라인과 2기 (2009-2017) 재생에너지·정책 라인을 잇는 방법론적 기여 작품. 선행 연구 (Ozturk 2010 의 lit review 가 정리) 는 conventional Granger 인과검정으로 에너지·GDP 관계를 다뤘지만 미국·EU 같은 선진국에서 GDP 증가 대비 에너지 소비가 둔화되는 decoupling 이 관측되면서 양자 관계 자체가 약화되었다는 해석이 등장. 저자들은 이 둔화가 (a) 에너지 강도 하락 (효율 개선) 과 (b) 산업구조 변화 (저에너지 high-value 부문 비중 증가) 의 동시 진행 때문일 뿐, 순 생산효과는 여전히 GDP 와 강하게 결합되어 있다는 가설을 세운다.

방법론은 Ang-Zhang-Choi (1998) 의 LMDI 분해 으로 에너지 소비 변화를 생산 ( $Y_t$ ) · 구조 ( $S_{i,t}$ ) · 강도 ( $I_{i,t}$ ) 효과로 분해 — LMDI 는 completeness · factor reversal · time reversal · zero-value robustness 의 4 ideal property 를 만족하는 표준 선택. 분해된 생산효과 only 시계열에 대해 벡터 오차 수정 모형 기반 인과검정을 적용한다. Engle-Granger (1987) VECM 은 VAR 와 달리 short-run · long-run · joint 인과를 모두 검정 가능. 단위근 검정은 PP · DF-GLS · KPSS 3종 합의 (Maddala-Kim 1998 confirmatory), 공적분 rank 는 Johansen (1995), optimal lag 는 AIC/HQIC/SBIC 합의 (Schwert 1989 의 max lag 3 제약).

결과는 두 핵심: 한국은 conventional · 분해 후 모두 GDP↔에너지 양방향 long-run 인과가 견고 — 에너지 집약 산업 비중이 크고 강도 개선 여지가 남아 decoupling 자체가 미관측. 반면 미국의 conventional 검정은 GDP→EC short-run 인과만 (long-run 양방향 약함) 인데, 분해 후에는 short-run · long-run · joint 모두에서 GDP↔분해 EC 양방향 인과 1% 유효. 즉 미국의 decoupling 은 강도·구조 효과가 만든 외관이며, 순 생산효과 기준으로는 에너지·성장 결합 여전. 추가로 미국에서는 강도·구조 효과 합 (IS) 과 GDP 간에도 양방향 long-run 인과가 관측 — 효율 개선·구조 변화가 성장에 substantive 영향. 이 결과는 허은녕 그룹의 후속 Asymmetric substitutability between energy and capital: Evidence from the manufacturing sectors in 10 OECD countries (cost function 기반 capital-energy 대체성) 와 직접 연결되며, 분해 + 인과 결합이 energy-growth 문헌의 표준 도구로 자리잡는 데 기여.

핵심 결과

미국 VECM 인과검정 (Table 6) — 분해 전후 비교:

가설	Cointegrating eq	Short-run	Long-run	Joint
EC ↛ GDP (총량)	3.94*	0.31	2.58**	14.27**
GDP ↛ EC (총량)	—	7.41*	-1.95	9.57*
DEC ↛ GDP (분해)	471.88**	6.90*	2.86**	8.81*
GDP ↛ DEC (분해)	—	13.24**	4.03**	16.87**
IS ↛ GDP	120.38**	0.45	2.63**	14.48**
GDP ↛ IS	—	7.74*	-4.59**	48.37**

(EC = total energy consumption; DEC = decomposed energy consumption; IS = intensity + structure effects 합). 분해 후 양방향 인과의 강도가 모든 horizon 에서 유의하게 향상.

한국 (Table 5): 모든 GDP-에너지 쌍에서 long-run 인과 1% 유효, GDP↔분해 EC 의 joint 인과 23.58** / 20.44**.

방법론 노트

LMDI 분해 (Ang-Zhang-Choi 1998) 은 log-mean weight $L(x, y) = (x - y)/(\ln x - \ln y)$ 를 사용. 강도·구조·생산 효과:

\Delta E_{int} = \sum_i L(E_{i,t}, E_{i,0}) \cdot \ln\frac{I_{i,t}}{I_{i,0}}

\Delta E_{str} = \sum_i L(E_{i,t}, E_{i,0}) \cdot \ln\frac{S_{i,t}}{S_{i,0}}

\Delta E_{pdn} = \sum_i L(E_{i,t}, E_{i,0}) \cdot \ln\frac{Y_t}{Y_0}

여기서 $I_{i,t} = E_{i,t}/Y_{i,t}$ (부문별 에너지 강도), $S_{i,t} = Y_{i,t}/Y_t$ (생산 share). VECM 의 bivariate $Y_t = (y_{1t}, y_{2t})'$ , $\beta = (1, -\beta_2)'$ 공적분 가정 하에 error correction representation:

\Delta y_{1t} = c_1 + \alpha_1(y_{1,t-1} - \beta_2 y_{2,t-1}) + \sum_j \gamma_{11}^j \Delta y_{1,t-j} + \sum_j \gamma_{12}^j \Delta y_{2,t-j} + \varepsilon_{1t}

Short-run 인과 $H_0: \gamma_{12}^j = 0$ , long-run 인과 $H_0: \alpha_1 = 0$ , joint (strong) 인과 $H_0: \alpha_1 = \gamma_{12}^j = 0$ . Identification: PP/DF-GLS/KPSS 3종 unit root 합의 + Johansen rank test 로 공적분 rank, AIC/HQIC/SBIC 합의 lag (max = 3).

연구 계보

방법론은 Ang-Choi (1997) refined Divisia → Ang-Zhang-Choi (1998) LMDI → Ang-Liu (2007) zero-value 처리의 LMDI 직계 + Sun (1998) refined Laspeyres 와의 비교. 인과검정 측면 Granger (1969) original VAR causality → Engle-Granger (1987) cointegration + VECM → Johansen (1995) likelihood-based cointegration → Phillips-Perron (1988) · KPSS (Kwiatkowski et al. 1992) · DF-GLS (Elliott-Rothenberg-Stock 1996) unit root 종합. Energy-growth nexus 측 Ozturk (2010) lit survey 가 직접 정리. 허은녕 의 1기 (1998-2008) 에너지·자원 경제 시계열 분석 (Technological Progress versus Efficiency Gain in Manufacturing Sectors 의 productivity decomposition 과 가족 관계) 의 직접 후속이며, 2기 RE 정책 분석과의 다리 역할. Jinsoo Kim 과의 후속 공저 Asymmetric substitutability between energy and capital: Evidence from the manufacturing sectors in 10 OECD countries · Evolution of the international crude oil market mechanism 으로 라인 확장.

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