International comparison of CO2 emission trends in the iron and steel industry

김연배, Ernst Worrell (2002) · Energy Policy 30(10):827–838 · DOI ↗

철강 산업의 CO₂ 배출 추세를 7 개국 (Brazil, China, India, Mexico, South Korea, US, Japan) 에 대해 physical indicator-based decomposition 으로 비교. 1986-1994 기간 동안 모든 국가에서 생산량 증가 가 총배출 증가의 주범, 에너지효율 개선 이 배출 원단위 감소의 주요인. South Korea 만이 power generation efficiency 개선 (oil → 원자력 + 전력생산효율 31.8% → 37.1%) 이 specific emission 감축에 기여한 유일한 사례.

RQ: 신흥국 (Brazil, China, India), 신산업국 (Korea, Mexico), 산업국 (US) 의 철강 산업 CO₂ 추세를 iron ore vs scrap, BOF vs OHF vs EAF, continuous casting share, fuel mix 같은 physical indicator 로 분해하면 각국의 driver 차이는?
방법론: decomposition-analysis (ave-pdm2), physical-production-index (Worrell et al. 1997 의 iron-steel sector 적용), carbon-intensity-index (CII)
데이터: Brazil, China, India, Mexico, South Korea, US 의 철강 산업 1986-1994 데이터 (Japan 은 CII 계산만 가능, 데이터 부족으로 decomposition 제외). 총 전세계 강재 생산의 40%+. INEDIS database, IISI 통계, 각국 통계청 자료
주요 발견: (i) 모든 국가에서 activity (생산량) 효과가 총배출 증가의 dominant driver. (ii) 모든 국가에서 energy efficiency 가 emission intensity 감소의 주 driver — OHF phase-out + continuous casting 확산이 explanatory variable. (iii) South Korea 에서만 utility effect (원자력 + 전력생산효율) 가 specific emission 감축의 상당 부분 — 1981 31.8% → 1998 37.1% generation efficiency. (iv) Brazil 은 biomass (charcoal) → coal 전환 (1982 34% → 1995 26% biomass, 39% → 50% coal) 으로 fuel mix 효과가 CO₂ intensity 증가에 기여. (v) CII 비교: 1990s 한국·Brazil 이 가장 효율적 (rapid OHF phase-out + continuous casting), 한국·Brazil 이 US·Mexico 와 명확히 분리 — Fig 8 의 CII 가 raw CO₂ intensity 보다 효율 차이를 더 정확히 surface.
시사점: 신흥국의 new capacity 가 곧 modern technology → stock turnover 가 capital-intensive 산업의 핵심 efficiency driver. 한국 사례의 정책적 의의는 원자력 도입과 발전 효율 개선 이 간접적으로 철강 산업 emission 감축에 기여 가능 — utility-side mitigation 의 sub-sector 파급. 향후 감축 잠재력: continuous casting + EAF route 확산, 그러나 product mix 변화는 시장이 결정 (정책 도구 한계).

요약

본 paper 는 CO2 Emission Trends in the Cement Industry: An International Comparison 의 자매 paper (twin) 다. 김연배 의 Lawrence Berkeley Lab visiting research (2000-2001, Ernst Worrell 협업) 의 결과물로, cement 와 iron-steel 두 carbon-intensive sub-sector 에 동일 methodology 를 병렬 적용한 double publication 전략. Cement 는 Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, iron-steel 은 Energy Policy — venue 분리로 audience 확장. 본 paper 의 conceptual move 는 — Worrell et al. (1997, Energy Policy) 이 iron-steel energy intensity 에 적용한 PPI framework 를 CO₂ emission (energy + non-energy, 단 cement 와 달리 iron-steel 은 fuel combustion 만 CO₂ source) 으로 확장 + 7 국 시계열 비교 + CII normalization.

방법론은 cement paper 와 동일한 ave-pdm2 decomposition (Ang 1995) 의 rolling base-year 적용. PPI 의 weight 는 각 강재 product 의 best-practice technology 에너지 소비 — sub-sector internal product mix shift (e.g., share of EAF, share of cold rolled) 를 fairly capture. CO₂ emission 식은 (activity × structure × efficiency × fuel mix × utility) 의 5-factor multiplicative. 식별의 핵심 explanatory variable 은 — (a) iron/crude steel 비 (primary vs secondary route share), (b) EAF 비율 (less energy-intensive route), (c) OHF (open hearth) → BOF (basic oxygen) 전환, (d) continuous casting share (less re-heating needed), (e) fuel mix (coal, oil, gas, biomass 비율), (f) electricity generation efficiency 및 fuel mix.

발견의 정책적 의미는 — (a) 공통 동인: 모든 국가에서 생산량 이 가장 큰 emission 증가 source. 에너지효율 이 가장 큰 emission intensity 감축 driver. (b) 한국 특이성: Specific emission 감축에서 utility effect (원자력 + 발전 효율) 가 의미 있는 기여 — 다른 6 국 (Brazil, China, India, Mexico, US) 에서는 utility effect 가 미미. (c) Brazil 의 후퇴: Privatization (1980s 후반-1990s) 으로 저비용 fossil fuel (coal) 전환, biomass (charcoal) 점유 감소 — fuel mix 효과가 CO₂ intensity 를 증가. (d) 신흥국의 leapfrog: 신규 시설 투자가 modern energy-efficient technology 도입을 의미 → 한국·중국은 generation 단계에서 가장 효율적 cement·steel plant 보유 가능. 한계: data uncertainty (특히 작은 변화에서), Japan 데이터 부족, scrap 가용성 같은 구조적 제약은 단기 정책으로 해결 안 됨.

핵심 결과

철강 생산·CO₂ 배출 (1986 vs 1994)

국가	생산 (Mton) 1986→1994	CO₂ intensity (t C/ton) 1986→1994	EAF share (%) 1994
South Korea	14.6 → 33.7	0.44 → 0.48	36
Mexico	7.2 → 10.3	0.50 → 0.44	63
Brazil	21.2 → 25.7	0.31 → 0.34	23
China	52.2 → 92.6	0.92 → 0.85	21
India	12.2 → 19.3	1.15 → 1.03	26
US	74.0 → 91.2	(스칼라 표 없음)	39

정량 결론. South Korea, Mexico, China, India 모두 1994 까지 CO₂ intensity 감소. 한국은 intensity 가 약간 상승 (0.44 → 0.48) — 이는 product mix 가 high-end (cold rolled 28→36%) 로 옮겨가면서 평균이 올라간 효과. CII 기준으로는 한국이 가장 효율적인 그룹에 속한다.

방법론 노트

본 paper 의 방법론은 CO2 Emission Trends in the Cement Industry: An International Comparison 와 식별적으로 동일 (sister-paper 의 symmetric methodology). 다른 점은 (i) iron-steel 은 calcination process emission 없음 → process emission term 제외, (ii) PPI weight 가 각 강재 product (crude steel, hot rolled, cold rolled, coated) 의 best-practice 1990s 에너지 소비, (iii) explanatory variable 이 cement 의 clinker/cement·wet/dry 가 아닌 EAF share·OHF share·continuous casting share·iron/crude steel 비.

핵심 식. CO₂ emission decomposition:

C = \left[ \sum_i P_i \cdot \frac{PPI}{\sum_i P_i} \cdot \frac{E}{PPI} \right] \cdot \left[ \sum_j \frac{E_j}{E} \cdot \frac{C_j}{E_j} \right]

ave-pdm2 분해:

\Delta C_{01} = \Delta C_{ACT} + \Delta C_{STR} + \Delta C_{EFF} + \Delta C_{FUEL} + \Delta C_{UTIL} + R

CII = $C / CBP$ (actual / best-practice). 식별은 (i) Worrell et al. (1997) 의 PPI weight 가 1990s best-practice plant 의 에너지 소비 기준 — engineering benchmark 가 statistical normalizer 역할, (ii) rolling base-year 가 residual 최소화, (iii) 7 국 시계열의 between-country variance + within-country trend 의 분해.

연구 계보

본 paper 는 CO2 Emission Trends in the Cement Industry: An International Comparison 의 iron-steel 자매 작업 으로, 두 paper 가 함께 김연배 author page 의 제1기 (Berkeley/ETRI 2000-2006) 방법론 기반 구축 의 핵심 출발점을 형성한다 (author page 분류). Worrell et al. (1997, Energy Policy) 의 iron-steel energy intensity decomposition 을 CO₂ emission 으로 확장하고 7 국 international comparison 으로 일반화. Ang (1995) 의 ave-pdm2 Divisia method, Phylipsen et al. (1999) 의 international benchmarking 전통, Worrell et al. (1997, 1995) 의 PPI weight 체계를 직접 계승. Schipper et al. (1997), Ang & Pandiyan (1997) 의 national-level CO₂ decomposition 흐름에 sub-sector resolution 을 추가하는 위치. Sheinbaum & Ozawa (1998, Energy Policy) 의 Mexico cement decomposition 과는 cement vs cement clinker ratio 처리 에서 차별 — 본 sister-paper 들은 product-mix shift 와 efficiency 효과를 독립적으로 식별. 본 paper 는 이후 김연배 의 기술경영경제정책전공 부임 후 에너지-환경 라인의 토대를 제공하며, 후속으로 기술경영경제정책전공 내 허은녕 그룹의 산업 CO₂ 시리즈와 연결된다.

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