How ICT Investment Influences Energy Demand in South Korea and Japan?

Nabaz T. Khayyata,1, Jongsu Leea, and Jeong-Dong Leea

aTechnology Management, Economics, and Policy Program, College of Engineering, Seoul National University, San 56-1, Sillim-Dong, Kwanak-gu, Seoul 151-742, South Korea

ABSTRACT: We examine productivity changes in Japan and South Korea during 1973–2006 and 1980–2009, respectively, in order to assess how investment in ICT affects energy demand. A dynamic factor demand model is applied to link inter-temporal production decisions by explicitly recognizing that the level of certain factors of production (refer to as quasi-fixed factors) cannot be changed without incurring so-called adjustment costs, defined in terms of forgone output from current production. This study quantifies how ICT capital investment in Korea and Japan affects economic growth in general and industrial energy demand in particular. We find that ICT and non-ICT capital investment serve as substitutes for the inputs of labor and energy use. The results also demonstrate a decreasing trend for labor productivity as well as significant cost differences across industries in both countries.

Keywords: Dynamic factor demand; Panel data; ICT investment; Energy demand

Introduction

The overall consumption of energy worldwide is continuously increasing. According to the international energy outlook report published in 2011 by the US energy information administration (EIA), the energy consumption will increase worldwide by 53% in 2035. In 2008 the total energy consumption was 505 quadrillion BTU (British thermal unit). It is expected to reach 770 BTU by the year 2035 (EIA 2011). This steady increase in energy demand will negatively affects the environment and the availability of depletable energy sources of fuel, or primary energy needed to produce energy output such as electricity.

The estimated world energy demand by region for the period 2008-2035 is shown in table 1 (the 2008 numbers are actual energy demand). This noticeable increase in energy consumption is due to the rapid economic development, industrialization, and population growth, especially in developing countries such as China and India with a vast population size. Strong economic development leads to an increase in the demand for energy in the industrial sector. The industrial sector consumes at least 37% of the total energy supply, which is relatively more energy intensive than any other major sectors including household, agriculture, and public services (Abdelaziz et al. 2011; Friedemann et al. 2010).

The steady increase in the demand for energy leads to increase in energy price. According to EIA (2011), the crude oil price will average 100 USD per barrel for the next twenty years, it will reach more than 200 USD per barrel in 2030. This increase in energy price according to the report is due to increase in the demand for oil and in the production cost. Industrial policy decision makers need to understand the importance of the energy in the industrial production structure, in order to assess and formulate the necessary energy conservation measures. Accordingly, it is essential to acquire knowledge about the energy demand and its characteristics such as the possible substitutability between energy and other factors of production (Dargay 1983; Koetse et al. 2008).

Unlike normal goods where supply response is applied to meet any possible increase in demand, in the case of energy the market demand response is employed to reduce the increase in demand. For example, the use of smart grid technology as part of demand response program allows for the application of price variation/discrimination by type of consumer, location, season, and hours used per day, with the aim to reduce energy consumption. It improves the producerrsquo;s and consumerrsquo;s ability to optimize generation and energy use. Hence, better optimization improves energy use and efficiency, reduces energy generated by peak time reserve capacity at high cost, and also reduces energy consumption during peak time at high price (Heshmati 2013).

In the last twenty years the information and communications technology (ICT) has witnessed an advanced improvement, diffusion and use in all areas of production, distribution and consumption. It has spilled over into every industrial sector such as agriculture, water management, manufacturing, and most service sectors. It is considered as one of the most important driver of economic growth and effectiveness (Jaeger 2003; Friedemann et al. 2010). The important of the rapid substitution toward ICT for other factors is emphasized by

and Stiroh (1999) due to induce in the rapid decline in ICT price. An average of more than 20% annual reduction in ICT price provides a strong incentive for the substitution of ICT for other factors of production.

Indeed, this recent improvement and increase in the diffusion of ICT capital goes together with a reduction in energy intensity in the production defined as the consumption of energy-to- output ratio (or consumption of energy-to-value-added ratio). According to Romm (2002), the US GDP and energy use grew together at an annual average rate of growth 3.2% and 2.4%, respectively in the pre-internet ear (1992–1996), while the growth was reported to be 4% and 1% during the internet era (1996–2000). As reported by Laitner (2002) energy intensity was 4.4%, while it was only 0.8% for ICT sectors in 1996.

ICT investment has grown at a rapid rate in Japan since 1980 and in South Korea (Korea hereafter) since 1990. Nevertheless, according to Lu et al. (2007), Korearsquo;s CO2 emissions from 1990 to 2002 were almost double those of Japan (42.4 million versus 24.2 million metric tons). This discrepancy suggests that the economic growth that occurred in parallel with ICT development has had

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ICT投资如何影响韩国和日本的能源需求？

Nabaz T. Khayyat and Jongsu Lee and Jeong-Dong Lee

韩国首尔国立大学工程学院技术管理，经济与政策方案，韩国Gwanak-gu，Sirim-Dong，San 56-1，韩国151-742

2014年4月9日

摘要：我们分别研究了在1973 -2006年和1980-2009年期间日本和韩国的生产力变化,以评估信息和通信技术的投资如何影响能源需求。应用动态因素需求模型明确地将时间关联生产决策联系起来。认识到某些生产要素(称为准固定因素)的水平不能在不产生所谓的调整成本的情况下改变,这就是从目前生产的放弃产出确定的。本研究量化了韩国和日本的信息和通信技术资本投资对总体经济增长和特别是工业能源需求的影响。我们发现信息和通信技术和非信息和通信技术资本投资是劳动力和能源使用投入的替代品。研究结果还表明,两国劳动力生产率的下降趋势以及整个行业的重大成本差异。

关键词：动态因子需求; 面板数据; ICT投资; 能源需求

1、介绍
全球能源消费总量不断增加。根据美国能源信息管理局（EIA）2011年发布的国际能源展望报告，2035年全球能源消费量将增长53％。2008年，总能耗为505万亿BTU（英国热电单位）。预计到2035年（EIA 2011）将达到770 BTU。能源需求的这种稳步增长将对环境和可消耗的燃料能源的可用性或生产诸如电力等能量输出所需的一次能源产生负面影响。按区域分列的2008-2009年世界能源需求估计。能源消费的这一显著增长是由于经济迅速发展、工业化和人口增长,特别是在中国和印度等发展中国家,有规模庞大的人口，这些国家强劲的经济发展导致工业部门对能源的需求增加。工业部门至少消耗了总能源供应的37%,这比任何其他主要部门,包括家庭、农业和公共服务的能源密集程度消耗的更多，(阿卜杜勒－阿齐兹等2011年);弗里德曼等人2010年。

能源需求的稳步增长导致能源价格的上涨。根据EIA (2011年)的描述,原油价格将在未来20年平均每桶100美元,它将在2030年达到每桶200美元以上。根据报告,能源价格的增加是由于石油需求和生产成本增加。工业政策决策者需要了解能源在工业生产结构中的重要性,以便评估和制定必要的节能措施。因此,最重要的是获得关于能源需求及其特点的知识,例如能源与其他生产要素之间可能存在的相互影响。( dargay1983年;koetse等人2008年)。与正常货物来满足任何可能的需求增长不同，就能源的市场需求反应而言，它是来减少需求增长的。例如，使用智能电网技术作为需求响应计划的一部分，可以通过消费者的类型，位置，季节和每天使用的时间来应用价格歧视，以减少能源消耗。它提高了生产者和消费者优化发电和能源使用的能力。因此，更好的优化可以提高能源利用效率，降低高峰时段储备能力，高成本产生的能源，同时降低高峰时段的能源消耗（Heshmati 2013）。

近二十年来，信息通信技术在生产，销售和消费各个领域都取得了长足的进步，推广和应用。它已经渗透到农业，水管理，制造业和大多数服务业等各个行业。它被认为是经济增长和有效性最重要的推动力之一（Jaeger 2003; Friedemann et al.2010）。Jorgenson和Stiroh（1999）强调了信息通信技术对其他因素的快速替代的重要性，因为ICT（信息和通信技术）价格迅速下降。ICT价格每年平均降低20％以上，为ICT替代其他生产要素提供了强有力的基础。

事实上，与ICT资本的改善和扩大一起出现的是生产能源强度的下降，被定义为消耗能源输出比（或能源与附加值的消耗）。根据罗姆( 2002 ) ,美国国内生产总值和能源使用量分别以年均3.2%和2.4%的年平均增长率增长,而在互联网时代( 1996 -2000年),增长率分别为4%和1%。据莱特纳(2002年)的报告,能源强度为4.4%,而1996年信息和通信技术部门仅为0.8%。

自1980年以来，日本的信息和通信技术投入增长迅速，1990年以来韩国信息和通信技术投入增长迅速。然而,根据Luetal.(2007), 韩国1990年至2002年的二氧化碳排放量几乎是日本的两倍(分别为42.4和24.2公吨)。这种差异表明,与信息和通信技术发展并行的经济增长对能源供应和需求没有影响。然而,迄今很少有研究从长远考虑信息和通信技术投资与能源消费之间的联系(Y.Choetal. 2007)。为此,本研究调查了信息和通信技术资本投资是否影响能源需求。特别是,我们通过应用和扩展Nadiri and Prucha (2001)提出的动态要素需求模型,分别对1973 -2006年和1980 -2009年间日本和韩国的工业生产率变化进行了实证检验。

韩国政府实施了一些促进经济发展的工业和技术政策举措（Khayyat和Heshmati，2014年）。20世纪80年代，决策者侧重于通过集中技术为基础的行业作为经济增长的来源，增加对外直接投资。这种以技术为主导的政策鼓励私营部门投资创新和研发，并呼吁各部门在研发活动时进行合作。20世纪90年代，韩国政府不断支持外国对技术领域的直接投资，增强私营部门的创新能力。因此，鼓励高科技部门国际化。20世纪20年代的全球化时代是韩国经济增长过程的最后阶段，增长主要是由于技术进步和创新。一般来说，韩国重新将其工业战略重点放在重工业集中在技术密集型行业。此外，政府的干预从直接的，针对微观部门的参与转为间接的，对部门宏观的支持。韩国技术政策的目标也从吸收国外技术到自主创新。

2 .方法学

以前的研究不仅发现因素投入之间有可替代性，还发现因素投入之间的互补性。例如，Thompson（2006）通过使用Cobb Douglas和translog生产和成本函数强调了能源使用 - 资本可替代性的程度和方向，通过衍生交叉价格弹性来描述资本和能源使用的替代。相比之下，Kander和Schouml;n（2007）发现，1870 - 2000年期间瑞典工业和制造业的能源使用和资本之间的互补性很高。通过直接衡量技术效率，他们调查了短期和长期的能源使用 - 资本关系。

Arnberg和Bjorner（2007）应用跨学科和线性逻辑近似法，以估计基于1993-1997年丹麦微观数据的资本、劳动力和能源使用的因素需求模型,发现劳动力可以用能源替代或者用资本替代。 Ma et al. (2008)对1995 - 2004年度中国31个自治区的面板数据集采用了两阶段成本函数，以衡量替代的弹性,并发现因素间的差异(即资本和劳动力是能源使用的替代品)。在关于替代弹性的文献调查中，Koetse et al. (2008),利用以往研究成果的多元回归分析,发现能源利用和资本是替代品,不同区域和时段的能源利用程度不同。

近年来的许多学者研究了信息通信技术及其相关硬件如电脑的快速传播。一些研究表明，这一事实是计算机相关设备价格急剧下降的直接后果，导致ICT设备替代其他形式的资本和劳动。因此，他们认为这种替代为那些进行信息和通讯技术投资的人士带来了巨大的回报，而且对经济增长也有非常大的影响(Ketteni et al. 2013).基于综合数据的早期研究表明，ICT对生产率增长没有影响(Berndt and Morrison 1995; Jorgenson and Stiroh 1999; J. 2000)。然而，这些研究大部分是基于总生产函数。他们假设规模和竞争性市场的回报不变，因素份额通常被用作产出弹性的代理。这些限制可能会影响ICT与生产率增长之间的估计关系。

最近,人们看到了在工业或部门一级使用分类数据的研究运动。他们的论点是,这些分类数据使研究人员能够使用更适当的估计方法, 这表明生产ICT资产的企业和行业吸引了大量资源，并从技术进步中获益，从而使其能够提高ICT业绩。这确实反映在信息通信技术行业快速的全要素生产率增长中(Siegel 1997; Stiroh 2002; Jorgenson et al. 2008;Oliner and Sichel 2000; Indjikian and Siegel 2005)。上述文献中的大多数研究都是基于美国经济。关于非美国的研究，大多数文献得出结论，ICT资本与经济增长之间存在着显着的正相关关系（Biscourp et al。2002; Hempell 2005; Matteucci et al。2005）。对于韩国来说，有几项研究建议将ICT和经济增长之间的这种积极关系进一步重新评估，特别是将由于在其生产过程中使用信息和通信技术（ICT）的其他行业的生产力的提高进行评估（M. Kim and Park 2009; Khayyat 2013; Oh etal.2014）。 S. Park（2014）研究了生产结构系统，该系统涵盖了1971 - 2007年期间使用欧盟KLEMS增长和生产力数据库的6个国家的26个行业，包括韩国，美国，英国，德国和日本。他估计一个静态横向成本函数对面板数据，假设三个投入ICT资本，非ICT资本和劳动力。他发现ICT资本和劳动力互为替代。他的发现表明，尽管利用ICT资本以“创意经济”为目标的工业生产结构将提高生产力但同时也将减少就业机会。他们也发现ICT投资取决于调整成本，因此需要时间才能实现生产率提升（Ahn 1999; Amato和Amato 2000; Bessen 2002; Mun 2012）。 另一个突出的问题是ICT溢出效应的存在，对行业的生产率增长有重大影响（Mun和Nadiri 2002; Chun and Nadiri，2008）。 ICT与生产率之间存在非线性关系，表明ICT资本在单位和时间之间的影响（Ketteni等，2013）。ICT资本投资和能源利用关系也得到了广泛的研究（Sadorsky 2012; Khayyat和Heshmati 2014; Khayyat 2013）。 20世纪70年代的两次石油价格冲击将学术利益转向通过增加ICT使用来减少能源消耗的方式（Walker 1985,1986）。 最近的研究进一步表明，ICT和能源使用是替代品。Y. Cho et al.（2007）研究了ICT投资和能源价格对韩国电力消费的影响，发现ICT降低了部分制造业的电力需求。根据J. Kim和Heo（2014）最近的一项研究，ICT资本在美国和英国的制造业中替代电力和燃料。虽然ICT资本，电力和燃料在韩国制造业中有替代效应，,但考虑到其相对价格变化,信息通信技术资本ICT不可能减少电力和燃料需求。

本节提出的文献回顾表明，不同规格用于模拟生产，成本和能源需求，或其组合，具体取决于目标是成本最小化还是产出最大化。 虽然不同的研究利用了不同国家，地区和工业部门的数据，但研究结果往往表明资本（ICT和非ICT）之间的替代以及能源使用，尽管也频繁地观察到能源使用和资本之间的互补性、可替代性和互补性的程度根据数据尺寸和单位特征有显着差异。

3.要素投入的工业需求

能源需求管理或所谓的需求侧管理DSM在韩国实施，针对电力，燃气和供暖的能源部门。韩国电力公司（KEPCO）负责负责管理程序和效率，以及旨在实施高效照明的变速驱动（VSD）计划。作为计划的一部分，变压器由政府实施和管理。 2009年韩国年能源消费增长达到4.9％，2009年韩国的人均能源消费量约为5.0盎司，占世界平均能源消费的两倍以上。虽然增加了使用可再生能源预计将不会对韩国能源系统的能源供应造成巨大的损失。这种不充分的自给自足是国家能源系统最关键的组成部分之一，让南韩容易受到未来的能源冲击。因此，稳定的能源供应和保护对于国家的可持续发展至关重要（Lee et al。2012）。不同的节能计划得到了推广。例如，减税，贷款和补贴计划，节能技术，各种试点项目，能源展览和能源服务公司计划。能源的有效利用不仅有利于国家经济，而且对保护自然环境也很重要。能源消耗高的巨大份额来自电力，因为从十年前的最终能源消耗的份额，从2009年的12％提高到了23％。在工业部门，年能源消费增长的电力份额已经达到5.8％以上（国际能源署IEA 2011）。

韩国政府自1993年以来制定了一套合理利用能源的五年计划。此后,宣布了《2008基本国家能源计划》,试图在2030年底前降低能源使用强度。在能源计划框架内,韩国工业部门将不得不将其能源消耗降至44% (IEA 2011, 2009)。2014年1月发布的第二个国家能源计划主要改变了从保护能源工业到需要政策方向的范式转变的政策方向。范式转移包括政策目标的变化,在市场体系中,国际关系,强调技术发展是竞争力的核心要素。能源政策追求“可持续发展”的新目标,以考虑经济增长、环境和能源安全因素。一个基本的政策方向是能源价格、需求和供应将由市场制度主导,而不是政府的干预,因为这是事实。政策的另一个重要变化是,强调全球市场竞争,能源工业的竞争力将集中取决于能否开发具有国际竞争力的技术,从而可以培育新的市场。过去垄断制度抑制了个体实体的创新和发展先进的应用技术的动机。相反, 政府正在采取行动制定符合国内需求条件的共同基础技术的倡议。

韩国在二十世纪的快速工业发展将其经济转变为服务型经济，年均GDP增长2.9％。电力消费占能源消费总量的比例正在迅速增长。 例如，钢铁生产在很大程度上取决于电弧炉，2009年占到近57％。化工行业是韩国工业部门最大的能源消费行业，而工业部门燃料组合的最大份额是以原料用量的液体燃料消耗为代表（IEA 2011）。图1显示了1980 - 2010年韩国工业部门能源消费的发展情况。 这些数字是以工业部门的总能耗为基础的。

图1：1980 - 2010年韩国行业能源消耗总量（百万美元）

工业投入生产要素的估计模型可以分为静态和动态两大类。 Pindyck和Rotemberg（1983）和Morana（2007）认为，一个静态模型隐含地假设是：所有因素输入都会立即调整到其长期均衡值，因此不能描绘出调整过程只能是渐进的实

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