ETS는 2002년 3월 영국(ETS UK Emission Trading Scheme)를 시작으로, 2005년부터 시행된 유럽 거래소(European Union ETS, EU-ETS)가 현재 가장 대표적인 시장이다³⁾. 아울러, 2021년 기준 세계 7위의 에너지 소비국이자 10위의 이산화탄소 배출국인 우리나라도 2015년 1월부터 아시아 최초의 국가 단위 배출권 거래제(K-ETS)를 운영중이다⁴⁾.

초국가 단위의 EU-ETS를 제외한 여타 배출권 거래소는 시장이 개별국가 또는 지역으로 한정되어 있어, 거래소별로 제도, 시장참여자 등의 배출권 가격결정 요인이 상이하다. 그러나 배출권이라는 상품 가격이 거래 참여자의 기후협약 이행 전망, 여론, 글로벌 에너지 가격 등의 공통적 가격결정 요인에 의해 결정된다면, 상품 가격은 동일하게 영향을 받는다(French and Roll; 1986, Ross, 1989). 다시 말해서 거래소별 배출권 가격 메커니즘이 합리적이라면, 일물일가 법칙(law of one price)에 따라 배출권 가격 간에는 환율 등의 거래비용을 제외하고 동조화된 가격 움직임을 보일 것이다.

이를 두고 Kim et al.(2019), Luo and Li (2022) 등 최근 일부 선행연구들이 K-ETS와 여타 거래소의 가격 동조화 연구 결과를 제시하고 있다. 그러나 Fig. 1과 같이 K-ETS의 배출권 가격은 EU-ETS, 뉴질랜드 거래소(New Zealand ETS) 및 중국 후베이성 거래소⁵⁾와 확연히 다른 움직임을 보이고 있다. Fig. 1은 가격 데이터 간의 상대적 움직임을 비교할 목적으로 통화별 가격 데이터를 정규화하여 제시하였다. Kim et al.(2019) 등 많은 선행연구들은 유로 등의 단일 통화로 환산한 가격 데이터를 이용하는데, 환율은 재화 등의 거래시 대표적인 거래비용이다(Piet et al., 1995). 또한 국가별 환율 정책 및 정부의 외환시장 개입 영향 등을 제거할 목적으로 본 연구에서는 정규화한 가격 데이터를 분석에 활용하였다.

Fig. 1. 
Comparison of Normalized Price of K-ETS, EU-ETS, NZ-ETS, and Hubei ETS

Fig. 1과 같이 후베이 거래소의 배출권 가격이 2018년 6월부터 2019년 말까지 급변동한 시기를 제외하면, K-ETS를 제외한 나머지 세 거래소의 배출권 가격은 대체로 유사한 움직임을 보인다. 특히 이들 거래소는 Covid-19 팬데믹 이전 가격을 저점으로 2020년 이후 상승 추세를 시현하는 반면, K-ETS 배출권 가격은 2020년 4월(42,500원)을 고점으로 하락 후 상승하는 추세를 보인다.

이에 본 연구는 K-ETS, EU-ETS, NZ-ETS 및 주요 탄소 배출국인 중국 후베이성 거래소 간의 배출권 가격을 대상으로, K-ETS 배출권 현물가격(KAU)이 효율적 시장가설에 따라 여타 거래소와 장기 균형 관계를 형성하는지 실증적으로 분석할 목적이다⁶⁾.

거래소간 배출권 가격 동조화에 대한 연구는 다음의 이유로 배출권 거래시장의 효율성 제고에 기여한다. 첫째, 동조화에 따라 가격 예측이 수월해져 NDC 등 양적 규제 관련 정책 수립에 이바지한다. NDC는 향후 배출량에 대한 추정치인 바, 시장간 동조화가 확인되면 EU-ETS 등 주도적 배출권 시장 가격을 참조하여 국내 배출권의 균형가격을 추정할 수 있고, 이를 통해 경제적 부담이 적은 최적의 배출총량 목표 수준을 정하는데 활용할 수 있다. 둘째, 조만간 시행될 EU의 탄소국경조정세 도입 대비에도 긴요하다. 탄소국경조정세 부과 방안이 확정되지는 않았으나, ETS 시행 국가에 대해서는 EU가 인정한 적격 거래소의 배출권 가격과 EU-ETS 배출권 가격간 차이를 조정세로 부과할 가능성이 크다. 이때 거래소간 배출권 가격이 다른 움직임을 보인다면, 투기 거래에 따른 가격 변동성 증가로 조정세 부과 대상 기업들은 배출권 가격의 헤징(hedging)에 어려움이 발생할 수 있다. 마지막으로, 거래소간 연계 또는 통합 가능성을 따져 볼 수 있다. EU는 EU-ETS의 유동성 증가, 거래비용 감소 및 탄소누출(carbon leakage) 대비 등의 이유로 스위스, 호주, 캐나다 및 캘리포니아 ETS 등과의 연계를 추진 중이다. 한편 중국은 그간의 지역별 파일럿 ETS 운영 경험을 기반으로 2021년 2월부터 국가 단위 거래소(China National ETS, CN-ETS)를 본격 운영함에 따라 조만간 거래량 측면에서 EU-ETS를 능가할 것이다(World Bank, 2022). 따라서 우리도 K-ETS의 효율성 제고 방안을 고민할 필요가 있다.

이에 본 논문의 구성은 다음과 같다. 먼저 2장에서는 배출권 거래제의 특성을 간단히 살펴보고, 거래소간 가격 동조화 관련 국내외 선행연구를 제시한다. 이를 토대로 3장에서는 거래소간 동조화 여부를 실증 분석 결과를 제시하였다. 마지막으로 4장에서는 분석 결과를 토대로 K-ETS의 효율성 제고를 위한 제언을 제시한다.

탄소배출권은 경제생활의 부산물인 탄소를 배출하는 권리이다. 정부가 정한 기간별 탄소배출 총량 내에서 기업 등의 배출자에게 배출권을 할당하면(Cap), 배출자들은 상품처럼 거래소 또는 장외에서 배출권을 매매(Trade)하는 시장가격 기반 양적규제 체계이다. World Bank (2022)는 탄소가격 제도로 2021년말 기준 전세계 배출량의 21.5% 수준인 약 11.65 기가톤을 감축하였는데, 이중 16.73%가 ETS를 통한 감축으로 추산된다. 특히 EU-ETS는 2021년 기준 유럽 배출량의 45%, 전세계 배출량의 약 10%를 커버한다. 또한 2018년 기준 전세계 탄소 시장 가치의 약 60%를 차지하는 세계 제1의 탄소금융 시장이다(ICAP, 2019).

반면 국내의 경우 GIR (2019)에 따르면, 2019년 기준 K-ETS 거래대금은 1조 813억원으로 2015년의 624억 대비 약 16배 가량 증가하는 등 시장 규모가 지속 성장하지만, 2019년도 배출량 감축 수준이 전년 대비 2.3% 증가에 그치는 등 실질적인 탄소 감축 기여도가 낮은 수준이다.

Piia et al.(2013)에 따르면, 탄소배출권의 이론 가격은 온실가스 한계 저감비용과 같아지는 수준에서 결정된다. 따라서 정부는 시장 기반 규제체계의 가장 중요 정보인 배출권 가격을 활용하여 감축 수준 등을 탄력적으로 조정할 수 있다.

우리나라는 관련 법령⁷⁾에 따라 2014년 1월 15일 한국거래소(KRX)를 배출권 거래소로 지정하고, 2015년 1월 12일부터 K-ETS를 시행 중이다. 주무부처인 환경부는 배출권 거래제의 안착을 위해 할당대상 업체들에게 배출권을 1차 계획기간(2015 ~ 2017년)에는 100% 무상할당 하였다. 이어 2차 계획기간(2018 ~ 2020년)에는 97%를 무상할당 하였고, 현재의 3차 계획기간(2021 ~ 2025년)에는 2차 계획기간 대비 무상할당 비율을 7%p 소폭 하향한 90%로 설정하였다. 즉 할당대상 업체들이 매입해야 할 유상할당 비율은 10%로 상향 조정되었다.

기업에게 ETS를 포함한 탄소가격 제도는 기후변화 대응 과정에서 발생하는 이행리스크(transition risk)에 따른 규제비용이다. 따라서 탄소가격 제도는 기업에게 탄소 포집·활용·저장(Carbon Capture, Utilization, and Storage, CCUS) 기술 개발 등을 통해 규제비용을 최소화하도록 유도하는 등 저탄소 연료 사용 및 신재생에너지 개발 투자 촉진에 긍정적이다(Ian, 2019).

그러나 기술 개발에는 장시간이 소요되므로, 기업은 단기적으로 규제비용을 소비자에게 전가하려는 유인도 상존한다. Park et al.(2021)은 국내 탄소세 도입시 경제성장 둔화 및 물가상승 압력(greenflation) 가능성을 제시하였고, ECB (2020)는 탄소배출권 가격이 점진적으로 인상될 가능성이 높기 때문에 물가를 완만하게 증가시킬 것으로 예상하였다. Fabra and Reguan (2014)는 유럽에서 ETS 도입 이후 전기요금이 인상된 사례를 제시하였다. 한편 Ian (2019)은 지구온도 상승을 2℃ 이내로 제한하기 위한 적정 탄소세 수준을 톤당 75달러 수준으로 전망하면서⁸⁾, 정부는 산업별 특성, 기업 규모 등을 고려한 합리적인 탄소가격 제도 운영을 통해 물가상승 압력을 최소화해야 한다고 제시하였다.

이에 우리 정부는 2021년부터 제도 변경을 통한 배출권 거래 활성화를 위해 기존 국책은행 중심의 시장조성자를 민간 금융회사로까지 확대하는 배출권 시장의 제3자 참여를 허용하였다. 그간 K-ETS는 할당업체만 거래에 참여하는 폐쇄성 때문에 배출권 정산기(통상 매년 6월말)에 거래가 집중되면서 매수-매도 쏠림 현상이 심하게 발생하는 등 가격의 급등락이 반복되어 왔다. 이를 시정할 목적으로 제3자는 제한된 범위 내에서 자기매매 형태로 배출권 매매호가를 제시하여 시장에 유동성을 공급할 목적이다⁹⁾.

한편 2022년 12월말 기준 국내 탄소배출권 현물 가격은 톤당 16,000원으로, EU 현물 109,123원(80.76 EUR)뿐만 아니라 뉴질랜드의 61,121원(76.0 NZD) 대비 크게 낮고, 중국의 9,979원(55 CNY) 보다는 다소 높은 수준이다(KEC, 2023).

EU의 탄소배출권 시장 초기에는 연구의 대다수가 EU-ETS의 배출량 감축 성과, 계획 기간별 할당량의 적정성 및 배출권 가격 변동성 요인 등이었다. 그러나 최근 들어 EU-ETS와 여타 거래소 간의 동조화 및 연계 가능성 등에 관한 연구가 증가하고 있다(Borghesi and Flori, 2018). 국내에서도 K-ETS 운영 초기에는 K-ETS의 배출권 가격결정 요인, 변동성 관련 연구들이 다수를 차지했으나, K-ETS 운영기간이 길어지면서 Park and Cho(2017) 등의 연구를 시작으로 최근 K-ETS와 여타 거래소 간의 동조화 및 이를 통한 시장 효율성 관련 연구가 점차 증가하고 있다. 다만 아래에서 제시하는 바와 같이 연구 결과가 상이한 상황이다.

Mo et al.(2005)은 EU-ETS와 북유럽 전력거래소인 노르딕 전력거래소(Nord Pool)의 탄소배출권간 일물일가 법칙의 성립 여부를 확인하기 위해 공적분 검정과 Granger 인과관계 검정을 실시하였다. 이를 통해 두 시장 간에는 장기균형 관계가 존재하고 EU-ETS가 Nord Pool 시장을 선도한다는 결과를 제시하였다. 다만 Nord Pool은 EU-ETS 배출권 선물을 거래하므로 두 거래소는 사실상 동일 상품을 거래한다. 따라서 선물의 잔여만기가 감소할수록 현물 가격에 일치하는 당연한 결과로 판단된다.

Han and Kim (2007)은 Mo et al.(2005)과 동일한 방법으로 유럽기후거래소(European Climate Exchange, ECX), Nord Pool 및 시카고 기후 거래소(Chicago Climate Exchange, CCX)간 가격 및 거래량의 동조화를 분석하였다. 이를 통해, ECX와 Nord Pool 간에는 강한 장기균형 관계가 존재하고, ECX와 CCX 간에는 약한 장기균형 관계가 성립하는 반면, Nord Pool과 CCX 간에는 균형관계가 존재하지 않음을 확인하여, 앞서 Mo et al.(2005)과는 다소 다른 결과이다. 다만 동 연구의 분석 대상인 ECX는 EU-ETS 거래소로서 Nord Pool과 동일 상품을 거래하고, CCX는 북미 기업들이 해당 지역의 배출권을 자발적으로 거래한다. 따라서 CCX, ECX와 Nord Pool 간에 균형관계가 성립되지 않는 것은 자연스런 결과로 판단된다. 게다가 2005년부터 2007년까지의 연도물(vintage) 간에 비교로서, 사실상 1년 단위로 장기 균형관계를 파악하는 등 연구 일부 한계가 있다.

Mizrach (2012)는 EU-ETS와 미국 북동부 배출권 거래시장인 RGGI (Regional Greenhouse Gas Initiative)의 배출권 가격간 동조화를 ARIMA (Auto-regressive Integrated Moving Average) 모형으로 분석하여 장기균형 관계를 밝혔다. 그러나 연구 대상인 RGGI는 EU-ETS와 달리 탄소배출권이 경매를 통해 거래되고, 배출권 대상 산업도 발전 부문으로 제한되는 점을 감안할 때 두 시장 간에 동조화 현상이 확실히 존재하다고 판단하기는 어렵다.

Park and Cho (2017)은 K-ETS의 배출권 가격이 EU-ETS와 달리 거래 부족을 발생시키는 제도 요인에만 영향을 받는 비효율적 시장이라고 판단하였다.

Son and Jeon (2018)은 K-ETS가 매도 부족으로 인해 상당 거래일 동안 실질 종가가 없는 경우 이 기간의 종가를 기세 호가로 표시하는 가격표시 제도를 K-ETS의 배출권 거래 부진과 가격 급변동을 야기시키는 문제점으로 지적하였다. 즉 기세 제도가 시장 흐름의 관찰에는 의미가 있으나, 거래가 활발하지 않은 경우에는 왜곡된 가격신호(signal effect)를 제공한다는 논리로서, 제도적 요인이 시장간 비동조화를 야기시킨다는 Park and Cho (2017)와 유사한 결과이다.

Wang et al.(2017)은 DCC-GARCH (Dynamic Conditional Correlation Multivariate Generalized Autoregressive Conditional Heteroskedasticity) 모형으로 중국 후베이성과 EU-ETS 간의 시간 가변적 동조화 여부를 분석하여, 통계적으로 두 시장 간에 동조화 여부는 확인되지 않으며, 시장 효율성 제고를 위해 중국의 지역별 거래소 통합이 필요하다는 결론을 제시하였다.

한편 최근의 일부 연구는 K-ETS가 EU-ETS 등의 여타 시장과 동조화된다는 결과를 제시하고 있다. Kim et al.(2019)은 K-ETS, EU-ETS 및 NZ-ETS 간에 장기적인 인과관계가 존재하고, 특히 유가가 이들 거래소 배출권 수요에 영향을 미쳐 배출권 가격간 동조화를 유발한다고 결론지었다.

Luo and Li (2022)는 K-ETS, EU-ETS, NZ-ETS 및 중국 후베이성 거래소의 배출권 가격간 상관관계를 DCC-GARCH 모형으로 분석하였다. 이를 통해 NZ-ETS를 제외한 세 나라 거래소 간에는 시간이 지날수록 동조화 경향이 점차 강화되고, 특히 Covid-19의 확산이 주요 요인이라고 주장하였다.

이처럼 탄소배출권 거래소 간의 동조화 관련 연구는 연구자별로 다소 상이된 결과를 제시하고 있다.

본 연구는 K-ETS 개장일인 2015년 1월부터 Covid-19 팬데믹 기간을 포함한 2022년 9월까지의 일별 가격 데이터를 이용하여¹⁰⁾, 한국(K-ETS), 유럽(EU-ETS), 뉴질랜드(NZ-ETS) 및 중국(Hubei)의 탄소배출권 가격간 동조화 여부를 검증하였다. 이를 통해 K-ETS 시장의 효율성 여부를 살펴보는 것이 목적이다.

앞서 선행연구에서 제시한 것처럼 시장간 동조화는 동일 시장이라도 분석대상 기간 및 분석 변수에 따라 다른 결과를 보인다. 예를 들어, Wang et al.(2017) 및 Luo and Li (2022)는 중국과 EU-ETS간 동조화를 동일한 DCC-GARCH 모형으로 분석하였으나 다른 결과를 도출하였다. 이는 DCC-GARCH 모형이 거래소간 가격 움직임이 아닌 가격 변동성의 상관성을 분석한 결과로 판단된다. 이처럼 배출권 가격간 동조화 여부는 가격 변동성으로 확인이 가능하다. 다만 이에 앞서 가격변수간 추세의 동조화 분석이 먼저 확인될 필요가 있다. 추세적 움직임이 통계적으로 유의하다는 전제 하에 가격 변동성을 판단할 필요가 있다. 따라서 동 연구에서는 분석 대상 기간에 외생적으로 전세계 경기침체를 야기시킨 Covid-19 팬데믹 기간을 포함하고, 환율 등 거래비용을 제외한 가격 변수간 분석을 통해 동조화를 검증할 목적으로 가격 변수를 이용한다. 이를 통해 경기 상황에 관계없이 물리적으로 떨어져 있는 거래소간에 장기 균형 관계가 성립하는지를 관찰하였다. 이에 대한 각 배출권의 정규화 이전 가격 데이터에 대한 기술통계량은 Table 1과 같다. 해당 데이터는 거래소 소재 통화 데이터이며, 배출권 특성상 매일 장내거래가 발생하는 것은 아니기 때문에 데이터 수(count)에서 차이가 발생한다. 이때 결측치는 전일 가격 대신 큐빅 스플라인(cubic spline)으로 보간하였다. 각 가격 데이터의 변동계수(CV, coefficient of variation) 및 4분위수 비교시 K-ETS의 변동성이 EU-ETS보다 상대적으로 낮게 추정된다. 그러나 이는 K-ETS의 일별 가격 변동폭이 상대적으로 작은 결과로서, 시장에서의 거래 빈도, 거래량 등의 종합적인 비교 없이 K-ETS가 EU-ETS 대비 가격 안정적이라고 해석할 수는 없다.

본 연구는 Table 1의 통화별 데이터를 앞서 제시한 바와 같이 환율 효과를 제거하고 동조화 여부를 검증할 목적으로 정규화한 데이터로 분석을 실시하였다.

동조화 여부는 일반적으로 가격 데이터 간의 선형관계를 추정하는 공적분(cointegration) 검증으로 확인하였다. 앞서 선행연구와 같이 일부 연구는 DCC-GARCH 모형 등의 시간 가변적 모형을 활용한다. 해당 모형은 최근 데이터에 더 많은 가중치를 부여함으로써 최근의 변화에 초점을 두는 반면, 가격 추세의 움직임 보다는 데이터 변동성 간의 동조화를 연구한다. 따라서 안정화된 금융시장 분석에 적합하다. 그러나 본 연구는 가격 추세 등 가격 데이터 자체의 움직임에 대한 장기 균형 관계를 분석하고자 한다. 이를 위해 개별 데이터의 움직임 속성 및 상관성 등을 EDA (Exploratory Data Analysis)로 살펴본 후, ADF (Augmented Dickey-Fuller) 검증으로 각 데이터의 정상성을 확인하였다. 공적분 검증은 단위근을 갖는 비정상성 데이터 간의 장기 균형 관계 분석을 전제로 한다.

Johansen 공적분(cointegration) 검정을 통해 변수간 공적분이 추정되면, Engle-Granger two-step 공적분 검정을 통해 어느 변수간 장기 균형 관계가 성립하는지를 재차 검증하였다. ADF 및 공적분 검정은 일반화된 방법으로서, 본 연구에서 별도로 분석 방법론을 제시하지는 않는다.

Fig. 2는 분석기간 중 각 가격 데이터의 추세 변화를 직관적으로 비교하기 위해 정규화된 가격 변수에서 추세 요소를 추출한 결과를 제시하였다. EU-ETS, NZ-ETS 및 후베이 거래소는 Covid-19 이전인 2019년부터 2021년까지 횡보하다가 2021년 이후 급격히 상승한다. 반면 K-ETS는 2020년부터 2021년의 기간중 급락했다가 2021년 이후 재차 상승하는 양상을 보인다.

Fig. 2. 
Trend Analysis of Spot Carbon Allowance Prices

분석기간 전체를 대상으로 배출권 가격간 Pearson 상관계수는 Fig. 3과 같다.

Fig. 3. 
Pearson Correlation Analysis of Spot Carbon Allowance Prices

K-ETS와 여타 거래소의 배출권 가격간 상관관계는 0.32 ~ 0.42 수준으로 통계적 상관성이 크게 높지 않다. 반면 여타 거래소 간에는 최소 0.8 이상으로 변수간 통계적 상관성이 매우 높게 측정되었다.

이러한 거래소간 배출권 가격 변동의 차이는 Fig. 4의 연도별, 월별 가격 변동 추이에서도 확연히 나타난다. 먼저 Fig. 4(a)의 연도별 가격 변동폭을 살펴보면, K-ETS는 2019년부터 연도별 가격 변동폭이 급격히 커지면서 하락세인데, 나머지 거래소는 Covid-19 확산이 주춤해진 2020년을 단기 저점으로 2021년도에 가격 변동폭이 증가한다. 또한 Fig. 4(b)와 같이 거래소별 월별 가격 변동폭에서도 차이가 있다. K-ETS는 대체로 11월부터 1월 사이에 가격 변동이 커지지만, 여타 시장은 주로 3월부터 9월에 이러한 특성을 보인다.

Fig. 4. 
Temporal Analysis of Spot Carbon Allowance Prices in ETSs

K-ETS와 각 거래소 간의 시간 가변적 상관성을 검증할 목적으로 Pearson 누적 상관계수 추이를 산출한 결과는 Fig. 5에 제시되어 있다. K-ETS는 전반적으로 운영 기간이 경과할수록 EU-ETS, NZ-ETS 및 중국 후베이 거래소와의 상관성이 낮아지는 양상이다. K-ETS는 제2차 계획기간을 거치면서 가격 상관성이 점차 상승하지만, 그 수준은 여전히 0.5 미만이다. 아울러 Covid-19 기간 중에는 누적 상관성도 떨어진다.

Fig. 5. 
Accumulated Pearson Correlation Analysis between K-ETS and Other ETSs

EDA 결과에 대한 통계적 실증 검증을 위해, 가격 데이터간 공적분 검증을 실시하였다. 이에 앞서 ADF (Augmented Dickey-Fuller) 검증으로 각 데이터의 정상성을 확인한 결과, Table 2와 같이 모든 데이터에서 단위근(unit root)을 포함한 비정상성이 확인되었다¹¹⁾.

Table 2의 ADF 검정 결과를 근거로 차분 없이 네 가격 데이터에 대한 Johansen 공적분(cointegration) 검정 실시 결과는 Table 3에 제시되어 있다.

검정 결과, 네개의 탄소시장 가격 데이터 간에는 최소 2개의 공적분이 존재한다. 앞서 실시한 EDA 분석을 통해 직관적으로 K-ETS를 제외한 여타 세 시장은 서로 상관됨을 가시적으로 확인할 수 있었다. 따라서 2개의 공적분이 존재한다는 결과는 두 쌍의 가격 데이터가 선형적으로 결합되거나, 세 개의 가격 데이터가 선형적으로 결합될 수 있음을 의미한다. 따라서 네 시장 중 최소 두 시장 또는 세 시장 간에 장기균형 관계가 성립한다고 해석할 수 있다.

해당 결과의 확인을 목적으로 Engle-Granger two-step 공적분 검정을 추가 실시하였다. 이때 적용 시차는 Engle and Granger (1987)에 따라 각 변수의 ACF 및 PACF를 고려하여 반영하였고, 정확한 결과 도출을 위해 변수쌍의 순서를 교차하여 검정하였다. 결과는 Table 4와 같다.

이를 통해 네 시장 중 오직 EU-ETS와 중국 후베이 거래소 시장 간에만 공적분이 존재함을 확인하는 것으로 파악된다. 이러한 결과는 본 연구와 분석 기간이 유사한 Luo and Li (2022)의 연구와 부분적으로 동일하다. 한편 본 연구에서는 Luo and Li (2022), Kim et al.(2019)의 연구 결과처럼 K-ETS가 다른 거래소들과 공적분 관계라는 결과는 확인하지 못하였다.