Essays on Energy Economics Advanced Modeling Approaches and Policy Analysis

Transkript

1 Research Collection Doctoral Thesis Essays on Energy Economics Advanced Modeling Approaches and Policy Analysis Author(s): Zhang, Lin Publication Date: 2015 Permanent Link: This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

2 DISS. ETH NO Essays on Energy Economics: Advanced Modeling Approaches and Policy Analysis A thesis submitted to attain the degree of DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH (Dr. sc. ETH Zurich) presented by LIN ZHANG MSc. ETH MTEC, ETH Zurich born on citizen of China accepted on the recommendation of Prof. Dr. Lucas Bretschger Prof. Dr. Sebastian Rausch 2015

3 Economic models are an important tool for evaluating the potential impact of proposed energy policies on the economy. The use of model-based analysis and scenarios in energy policy design and assessment has been growing in the last decades. Nowadays, many national government and inter-governmental bodies make use of the results from economic models for policy design. These models offer policy makers an effective understanding of the potential economic cost and benefits of mitigating carbon emissions. Sound modeling results guide decision making in energy and climate policies in a direction of maximizing the effectiveness of the economic effort. Economic growth is driven by the accumulation of capital stocks. In endogenous growth models, technological knowledge is treated as a form of capital that is accumulated through research and development (R&D) and other knowledge creating processes. This type of models allows for an analysis of the economic growth effects of energy policy in the long run. Moreover, an important aspect of energy and climate policies is technology development, which can be studied by looking into the capital accumulation process. The first part of the thesis develops the macroeconomic modeling framework to analyze the growth effects of energy policies in the regional economy. Chapter 2 extends the one country multi-sector endogenous growth model to represent various electricity generation technologies and fossil energy sources in the energy sector. The newly extended energy model part features rich technology details as in bottom-up energy sector models. However, it avoids to some extent the computational complexities involved in solving two hard-linked models. With the simplified bottom-up module, Chapter 2 studies the effects of nuclear phase-out policies in Switzerland. It shows that an economy can cope well with ambitious energy policies through sufficient innovation. Chapter 3 employs the same model for further discussion on some crucial elements in macroeconomic model analysis. One of the main focal points is the institutional concerns regarding the distributional principle between today and future generations. From the perspective of applied macroeconomics, it seems rewarding to inquire into the restricted input use in a high-growth economy to derive the dynamic impact and the size of its effects. However, to develop a fully endogenous growth model is theoretically and III

4 numerically demanding. Chapter 4 shows the possibility of constructing such dynamic model and its application to China. The framework includes disaggregated industrial and energy sectors, endogenous innovation, and sector-specific investments. For the long run up to 2050, the paper shows that welfare costs of emission reduction for China lie between 3 and 8 percent. The cost can be reduced significantly through faster energy technology development, stronger induced innovation, and rising energy prices in the reference case. Furthermore, increased urbanization raises the costs of carbon policies due to altered consumption patterns. On a global scale, induced changes in international knowledge transmission become important when one evaluates the effects of global energy policies. Energy policies could induce additional knowledge creation and diffusion, counteracting the negative cost effects of higher energy prices. Hence, Chapter 5 presents a multi-region multi-sector endogenous growth model with the inclusion of international knowledge for this purpose. This chapter enables a detailed study of the impacts of global climate policy on knowledge and growth. The last part of the thesis is composed of two empirical papers. If macroeconomic models are powerful in evaluating the potential cost of energy policies, econometric models are preferred in estimating the effects of energy policies which have already been implemented. In recent years, the Chinese government decided to introduce several energy policy instruments to promote energy efficiency. However, energy intensity is not an accurate proxy for energy efficiency because changes of energy intensity are a function of changes in several socioeconomic factors. Chapter 6 develops an energy aggregate demand model for Chinese provinces. By employing the stochastic frontier analysis approach, the level of underlying energy efficiency in Chinese provinces is estimated. The advantage of the model presented in the paper is the possibility to take into account the presence of unobserved heterogeneity, and to distinguish persistent (time-invariant) from transient (time-varying) inefficiency. This analysis shows that energy intensity cannot accurately measure the level of efficiency in the use of energy in the Chinese provinces. Chapter 7 first uses data envelopment analysis approach to estimate the operational efficiency for the Chinese provincial power sector, to provide information about the individual provincial power sectors performance. Nevertheless, changes in efficiency can only reflect the development of performance of individual provinces and cannot account for the degree of effectiveness of the energy policies across provinces. Hence, the second part of this chapter explores the cross-province disparities in electricity generation performance by employing convergence models. The result shows that Chinese provincial power sectors converge faster to their own operational efficiency long-run growth paths than to a common one. This analysis also finds evidence that reform of pricing system, unity of the grid distribution network, urbanization, economic structural change, and avoidance of government intervention, are necessary to increase efficiency. IV

5 Keywords: Energy Policy; Endogenous Growth; Energy Efficiency; Energy Economic Modeling; Knowledge Spillover; Convergence. V

6 Zusammenfassung Ökonomische Modelle sind ein wichtiges Werkzeug zur Evaluierung von potentiellen Effekten vorgeschlagener Energiepolitiken auf unsere Volkswirtschaft. Die Nutzung von Modellen und Szenarien zum Politikdesign ist in den letzten Dekaden stark gewachsen. Heute nutzen viele nationale Regierungen und internationale Institutionen die Ergebnisse der ökonomischen Politikmodellierung. Diese Modelle bieten den verantwortlichen Politkern ein effektives Verständnis der potentiellen ökonomischen Kosten und Nutzen von Strategien zur Vermeidung von Kohlendioxidemissioen. Fundierte Modellresultate helfen den Entscheidungsträger die Effektivität der Energie- und Klimapolitiken zu maximieren. Ökonomisches Wachstum wird angetrieben durch die Akkumulation von Kapital. In endogenen Wachstumsmodellen wird technologischer Fortschritt als eine Form von Kapital betrachtet, welches durch Forschung und Entwicklung (F&E) sowie andere wissenserschaffende Prozesse akkumuliert wird. Diese Art von Modellen erlaubt eine Analyse der langfristigen ökonomischen Wachstumseffekte von Energiepolitiken. Darüber hinaus ist die technologische Entwicklung ein wichtiger Aspekt der Energie- und Klimapolitik, die man über den Kapitalakkumlationsprozess betrachten kann. Der erste Teil dieser Dissertation entwickelt einen makroökonomischen Modellrahmen um die Wachstumseffekte von Energiepolitiken in der regionalen Volkswirtschaft zu analysieren. Kapitel 2 erweitert den Energiesektor des Landes sowohl um mehrere Sektoren als auch um verschiedene Stromerzeugungstechnologien und fossile Energiequellen. Des Weiteren wird ein endogenes Wachstumsmodell eingeführt. Dieses neue Energiemodell präsentiert vielfältige technologische Details in Form einer bottom-up Modellierung des Energiesektors. Es vermeidet jedoch einige der rechnerischen Komplexitäten die bei der Lösung zweier verbundener Modelle auftreten. Mit Hilfe dieses vereinfachten bottom-up Modells analysiert Kapitel 2 die Effekte eines Schweizer Atomausstiegs. Das Modell zeigt, dass die Volkswirtschaft eine solch ambitionierte Energiepolitik durch ausreichende Innovationen verkraften kann. Kapitel 3 verwendet dasselbe Modell für eine weiterführende Diskussion der entscheidenden Elemente einer makroökonomischen Modellanalyse. Der Hauptfokus liegt dabei auf der Problematik der Verteilungsprinzipien zwischen heutigen und zukünfitgen Generationen. VII

7 Aus angewandter makroökonomischer Perspektive erscheint es als vielversprechend, den dynamischen Einfluss und die Größe des Effekts einer Restriktion der Input-Faktoren in einer schnell wachsenden Volkswirtschaft zu betrachten. Von einem theoretischen als auch numerischen Aspekt her ist es jedoch herausfordernd, ein komplett endogenes Wachstumsmodell zu entwicklen. Kapitel 4 zeigt, wie ein solches dynamisches Modell entwickelt und an China angepasst werden könnte. Der Modellrahmen berücksichtigt disaggregierte Industrie- und Energiesektoren, endogene Innovation und sektorspezifische Investitionen. In einer langfristigen Betrachtung bis 2050 zeigt sich, dass die Wohlfahrtskosten der Emissionsreduktionen für China zwischen 3 und 8 Prozent liegen. Die Kosten können durch eine schnellere Energietechnologieentwicklung, verstärkte Anreize zur Innovation und steigende Energiepreise signifikant reduziert werden. Darüber hinaus wird die verstärkte Urbanisierung die Kosten der Kohlenstoffpolitiken aufgrund von veränderten Konsumverhalten erhöhen. Auf der globalen Ebene wird ein geleiteter internationaler Technologietransfer für die Berechnung der Effekte von globalen Energiepolitiken zunehmend wichtiger. Energiepolitiken könnten eine zusätzliche Schaffung von Wissen sowie einen Wissenstransfer kreieren, um die negativen Kosten höherer Energiepreise auszugleichen. Daher präsentiert Kapitel 5 ein multiregionales, multisektorales endogenes Wachstumsmodel, welches in dem Kontext die internationale Diffusion von Wissen berücksichtigt. Dieses Kapitel ermöglicht eine detailierte Analyse der Einflüsse globaler Klimapolitiken auf Wissen und Wachstum. Der letzte Teil dieser Dissertation besteht aus zwei empirischen Aufsätzen. Während makroökonomische Modelle sich anbieten, um die potentiellen Kosten von Energiepolitiken zu berechnen, sind ökonometrische Modelle bevorzugt, wenn es um die Schätzung der Effekte bereits implementierter Energiepolitiken geht. Die chinesische Regierung hat zur Verbesserung der Energieeffizienz vor einigen Jahren entschieden, verschiedene Energiepolitikinstrumente einzuführen. Jedoch ist die Energieintensität nicht ein passendes Proxy für die Energieeffizienz, weil die Änderungen der Energieintensität eine Funktion verschiedener sozio-ökonomischer Faktoren ist. Kapitel 6 entwickelt ein aggregiertes Energienachfragemodel der chinesischen Provinzen. Die Methode der stochastischen Frontieranalyse ermöglicht die Schätzung der unbeobachteten Energieeffizienz der chinesischen Provinzen. Der Vorteil dieser Methode ist die Möglichkeit zur Berücksichtigung unbeobachteter Heterogenitäten, um zwischen persistenter (zeitinvarianter) und transienter (zeitvarianter) Ineffizienz zu unterscheiden. Die Analyse zeigt, dass die Kennzahl der Energieintensität nicht in der Lage ist, die Energieffizenz der chinesischen Provinzen genau zu messen. Kapitel 7 verwendet die data envelopment Analyse, um die Effizienz des Stromerzeugungssektors der chinesischen Provinzen zu schätzen. Veränderungen in der Effizienz des Stromerzeugungssektors per se berücksichtigen jedoch nicht die Effektivität einer überregionalen Energiepolitik. Daher erforscht der zweite Teil des Kapitels die regionalen VIII

8 Unterschiede der Effizienz der Stromerzeugungstechnologien anhand der Verwendung von Konvergenzmodellen. Das Ergebnis zeigt, dass der Energiesektor in den einzelnen chinesischen Provinzen schneller auf einen eigenen langfristigen Wachstumspfad konvergiert als auf einen gemeinsamen überregionalen Wachstumspfad. Die Analyse findet darüber hinaus Hinweise, dass eine Reform des Preissystems, die Art des Übertragungsnetzes, eine erhöhte Urbanisierung, Strukturreformen, sowie die Reduktion von Staatsinterventionen notwendig sind, um die Effizienz zu erhöhen. Schulüsselwörter: Energiepolitik, endogener Wachstums, Energieeffizienz, energieökonomische Modellierung, Wissensexternalitäten, Konvergenz. IX