On the Design of Climate Policy

Abstract

'Climate change is the biggest market failure the world has ever seen' according to economist Sir Nicolas Stern (Stern 2006, p. viii). In fact, the expected temperature increase within the 21st century is unprecedented over millions of years of earth history, leading to substantial impacts such as a rising sea level and a change of precipitation patterns. This poses a major threat on the food security of human beings and may force inhabitants on the ocean shores to abandon their settlements. It is undisputed among the scientific community that climate change is anthropogenic, caused by the increasing concentration of greenhouse gases (GHG) in the atmosphere. The exhaust of greenhouse gas emissions is a by-product of economic activity and constitutes a negative externality that is responsible for a market failure in a decentralized market economy. In order to induce the economic agents to internalize the negative externality, climate policy aiming at mitigating GHG emissions should implement cost-efficient market-based instruments such as carbon taxes or tradable emission quotas. However, these instruments may come along with unintended side effects, which should be taken into account when designing effective climate policy. This thesis explores three areas where unintended side effects arise and discusses the implications for the design of climate policy. These areas include the rent capturing by cartelized oil suppliers, the inter-temporal extraction decision of fossil fuel owners, and the relocation of firms in case of existing carbon price differences between countries. The Paris Agreement calls for 'holding the increase in the global average temperature to well below 2°C above pre-industrial levels' (UNFCCC 2015: Art. 2a). As a first step of coordinated action against global warming, this agreement can be thought of as the formation of a global climate coalition. Since more than two thirds of all GHG emissions stem from the combustion of fossil fuels, any coordinated climate policy affects both the demand for fossil fuels and the extraction decision of the owners of fossil fuels such as coal, gas and oil. The oil market is characterized by market power due to the dominant role of the Organization of Petroleum Exporting Countries (OPEC). Previous papers found that in the presence of market power, the equivalence between carbon taxes and tradable emissions permits does not hold anymore (Berger et al. 1992). However, OPEC's dominance is challenged by the emergence of the shale oil industry, whose extraction costs have been decreasing considerably in recent years. Chapter 2 analyzes the impact of declining extraction costs of shale oil producers on the choice of the policy instrument of a climate coalition in the presence of OPEC. Relative to OPEC, shale oil producers, i.e. the competitive fringe, still face higher extraction costs, which represent an upper bound for the oil price OPEC can charge. Declining extraction costs limit OPEC's price setting behavior and thus impact the optimal climate policy of the climate coalition. Chapter 2 finds that from the perspective of the climate coalition, a pure cap-and-trade system turns out to be weakly welfare-inferior relative to a carbon tax. For high extraction costs, OPEC's reaction towards a fixed quota is to marginally undercut that quota, which drives the permit price to zero and leaves no revenue for the climate coalition. If extraction costs are decreasing, then OPEC continues undercutting the quota, but can capture only a part of the climate rent because the oil price is limited by the fringe's costs. Relative to a quota, a carbon tax always generates positive revenue for the government and thus is generally welfare-superior. However, low extraction costs prevent OPEC from charging the monopolistic price and from exerting its market power, leading the climate coalition to implement the Pigouvian tax in the first place. It turns out that both market-based instruments are equivalent in this case. If the quota is complemented by a base tax, then this dual instrument is equivalent to a carbon tax regardless of the fringe's extraction costs. The reaction of fossil fuel owners is also relevant in the absence of market power because fossil fuels are exhaustible resources, meaning that any tax on the carbon content affects the inter-temporal extraction decision of resource owners (Sinclair 1992). If resource owners anticipate the implementation of carbon taxes in the future, then they will optimally evade this taxation by shifting some extraction towards the present. This increases the carbon dioxide emissions in the present and accelerates global warming, which is why this phenomenon is referred to as green paradox (Sinn 2008). Chapter 3 analyzes the optimal extraction decision of resource owners within a two- period model and asks whether the green paradox also arises in the presence of a clean energy source, that is a perfect substitute and exhibits learning-by- doing. The main finding of Chapter 3 is that there is a reversal of the green paradox under certain conditions. If the marginal extraction cost curve of the fossil fuel suppliers is sufficiently flat, resource owners respond to a future carbon tax with lowering their total extraction and only slightly increase the current extraction. Moreover, taxation leads to higher energy prices, which induces firms in the renewable energy sector to increase their output not only in the future, but also in the present due to the anticipated benefits from learning-by-doing. This leads to a crowding out of energy from the combustion of fossil fuels and may outweigh the initial increase in current emissions, leading to fewer emissions in the present and to a reversal of the green paradox. When some countries put a price on carbon while others do not, this may lead emission intensive firms to relocate their production capacities abroad. The European Union Emissions Trading System (EU ETS) accounts for the relocation problem by allocating additional free allowances to firms belonging to the carbon leakage list. However, this allocation was found to lead to substantial overcompensation (Martin et al. 2014), which is why some stakeholders recently have called for a phasing out of free allowances in the near term. Chapter 4 analyzes the consequences of phasing out free allowances in a two-period two-country model and derives the optimal carbon price path for the case of a phasing-out. The carbon price induces firms to invest in abatement capital, but may also lead to the relocation of some firms. The social planner addresses the relocation problem by offering firms transfers, i.e. free allowances, conditional on maintaining the production in the regulating country. Chapter 4 finds that if transfers are unrestricted in both periods, then the social planner can implement the first best by setting the carbon prices equal to the marginal environmental damage and using transfers to prevent any relocation. However, if transfers in the future period are restricted, some firms may play a 'take the money and run'-strategy, collecting the transfers of the first period, but relocating thereafter. In this case, it is optimal to implement a declining carbon price path with the first period price exceeding the marginal environmental damage. A high carbon price triggers investments in abatement capital and thus creates a lock-in effect. With a larger abatement capital stock, firms are less affected by carbon prices in the future and therefore less prone to relocate in the second period when transfers are restricted.

Sir Nicolas Stern bezeichnet Klimawandel als das „größte Marktversagen, das die Welt je gesehen hat“ (Stern 2006, p. viii). Tatsächlich ist der erwartete Temperaturanstieg für das 21. Jahrhundert beispiellos für die letzten Millionen Jahre der Erdgeschichte. Mit der Erderwärmung gehen beträchtliche Auswirkungen, wie ein Ansteigen des Meeresspiegels oder die Veränderung bestehender Niederschlagsmuster, einher. Dies führt unter anderem zu einer Bedrohung der Nahrungsmittelsicherheit bzw. zu einer potentiellen Zwangsmigration von Menschen in den Küstengebieten. Klimawissenschaftler sind sich darüber einig, dass der Klimawandel anthropogen ist und durch eine zunehmende Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre verursacht wird. Der Ausstoß von Treibhausgasen ist ein Nebenprodukt wirtschaftlicher Tätigkeiten und stellt im ökonomischen Sinne eine negative Externalität dar, die zu einem Marktversagen in einer dezentralen Marktwirtschaft führt. Damit die Marktteilnehmer die negative Externalität internalisieren, sollte Klimapolitik kosteneffiziente marktbezogene Politikinstrumente wie CO2 Steuern oder handelbare Verschmutzungsrechte verwenden. Allerdings verursachen diese Instrumente unter Umständen unbeabsichtigte Nebeneffekte, welche bei der Ausgestaltung von Klimapolitik mit berücksichtigt werden sollten. Die vorliegende Dissertation beleuchtet drei Bereiche, in denen es zu unbeabsichtigten Nebeneffekten kommen kann, und diskutiert die Implikationen für die Ausgestaltung von Klimapolitik. Die drei Bereiche umfassen die Anbieterreaktion von monopolisierten Besitzern fossiler Brennstoffe, die zeitliche Verlagerung der Extraktion fossiler Brennstoffe sowie die potentielle Abwanderung von Firmen in Ländern mit weniger restriktiven Klimapolitiken. Das Übereinkommen von Paris sieht die Begrenzung der globalen Erwärmung auf deutlich unter 2°C gegenüber vorindustriellen Werten vor. Als erster Schritt in Richtung einer koordinierten Zusammenarbeit gegen die globale Erwärmung kann das Übereinkommen auch als die Gründung einer globalen Klimakoalition verstanden werden. Da mehr als zwei Drittel aller Treibhausgasemissionen durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen, wirkt sich jegliche koordinierte Klimapolitik unvermeidlich auf die Nachfrage und das Angebot fossiler Brennstoffe, wie Kohle, Gas und Öl, aus. Der Ölmarkt ist durch eine marktbeherrschende Stellung der Organisation erdölexportierender Länder (OPEC) gekennzeichnet. Es wurde gezeigt, dass bei Marktmacht auf der Anbieterseite die Äquivalenz zwischen CO2 Steuer und handelbaren Verschmutzungsrechten nicht mehr gegeben ist (Berger et al. 1992). Die marktbeherrschende Stellung der OPEC wird allerdings zunehmend durch Unternehmen der Schieferölindustrie gefährdet, deren Kosten in den letzten Jahren substantiell gesunken sind. Kapitel 2 analysiert die Auswirkungen von immer geringer werdenden Förderkosten der Schieferölproduzenten auf die Instrumentenwahl einer Klimakoalition, wenn die OPEC nach wie vor eine marktbeherrschende Stellung auf dem Ölmarkt inne hat. Im Vergleich zur OPEC haben die Produzenten von Schieferöl höhere Förderkosten, welche eine Preisobergrenze für die OPEC darstellen. Sinkende Förderkosten führen zu einer Begrenzung von OPEC’s Marktmacht und haben dadurch auch einen Einfluss auf die optimale Politik der Klimakoalition. In Kapitel 2 wird gezeigt, dass die Klimakoalition mit einer CO2 Steuer im Vergleich zu handelbaren Verschmutzungsrechten eine höhere Wohlfahrt erzielt. OPEC’s beste Reaktion hinsichtlich einer festgelegten Emissionsobergrenze ist die Förderung einer marginal geringeren Ölmenge, was zu einem Absinken des Zertifikatspreises auf null führt und somit keine Staatseinnahmen für die Klimakoalition generiert. Wenn die Förderkosten in der Schieferölindustrie sinken, dann behält OPEC seine Mengenstrategie bei, kann sich allerdings nur einen Teil der Klimarente aneignen, weil der Ölpreis durch die Kosten der Wettbewerber nach oben begrenzt ist. Im Gegensatz zum Emissionshandel, generiert eine CO2 Steuer immer Staatseinnahmen und ist deswegen im Allgemeinen wohlfahrtsdominant. Wenn die Förderkosten jedoch hinreichend klein sind, dann kann die OPEC nicht den Monopolpreis durchsetzen und verliert ihre Marktmacht. Die Klimakoalition wird dann die CO2 Steuer in Höhe der Pigousteuer festsetzen und es zeigt sich, dass beide klimapolitischen Instrumente in diesem Fall zum gleichen Ergebnis führen. %Darüber hinaus ist ein duales Instrument, welches die Emissionsobergrenze mit einer Basissteuer kombiniert, vollständig äquivalent zu einer CO2 Steuer, unabhängig von der Höhe der Förderkosten. Die Anbieterreaktionen der Besitzer fossiler Brennstoffe sind auch ohne Marktmacht von Bedeutung, da fossile Brennstoffe erschöpfbare Ressourcen sind und damit jegliche Steuer auf den CO2 Gehalt dieser Ressourcen die inter-temporale Förderentscheidung der Besitzer beeinflußt (Sinclair 1992). Wenn Ressourcenbesitzer die Einführung einer CO2 Steuer in der Zukunft erwarten, dann ist es für sie optimal, die Steuerlast zu minimieren, indem sie einen Teil ihrer Ressourcen bereits in der Gegenwart fördern. Das führt zu einer Steigerung der gegenwärtigen CO2 Emissionen und beschleunigt die globale Erwärmung, weswegen dieses Phänomen auch als grünes Paradoxon bezeichnet wird (Sinn 2008). Kapitel 3 analysiert die optimale inter-temporale Förderentscheidung von Ressourcenbesitzern in einem zwei-Perioden Modell und untersucht, ob das grüne Paradoxon auch auftritt, wenn es gleichzeitig ein perfektes Substitut in Form von Energie aus regenerativen Quellen gibt, dessen Kostenstruktur durch 'Learning-by-doing' gekennzeichnet ist. Das Hauptresultat von Kapitel 3 ist, dass es unter bestimmten Bedingungen zu einer Umkehrung des grünen Paradoxons kommt. Wenn die Grenzkostenkurve der Erdölförderung hinreichend flach ist, dann führt die Einführung einer CO2 Steuer in der Zukunft dazu, dass Ressourcenbesitzer einerseits einen Teil ihrer Förderung in die Gegenwart verlagern, aber andererseits auch ihre Gesamtförderung beträchtlich reduzieren. Gleichzeitig führt die CO2 Steuer zu höheren Energiepreisen, wodurch die Produzenten erneuerbarer Energien ihre Produktionsmenge in der Zukunft und - durch die antizipierten Kostenersparnisse vom 'Learning-by-doing' - auch in der Gegenwart erhöhen. Letzteres verdrängt das Angebot von Energie aus fossilen Brennstoffen und kann den ursprünglichen Anstieg der gegenwärtigen Emissionen überkompensieren. Dadurch werden weniger CO2 Emissionen in der Gegenwart emittiert, was eine Umkehrung des grünen Paradoxons bedeutet. Wenn einige Länder CO2 Emissionen höher besteuern als andere, dann kann dies zu Firmenabwanderungen energieintensiver Firmen in Länder mit geringeren Steuersätzen führen. Der europäische Emissionshandel trägt der potentiellen Firmenabwanderung Rechnung und verteilt zusätzliche Freizertifikate für Firmen innerhalb der Carbon- Leakage-Liste. Allerdings kommt die Analyse von Martin et al. (2014) zu dem Schluss, dass diese Freizuteilung zu einer erheblichen Überkompensation führt, weswegen einige Akteure ein Auslaufen der Freizertifikate innerhalb der nächsten Jahren fordern. Kapitel 4 analysiert die Konsequenzen dieser Forderung in einem zwei-Perioden zwei-Länder Modell und leitet den optimalen CO2 Steuerpfad für den Fall her, in dem Firmen zukünftig keine Freizertifikate mehr bekommen. Ein positiver CO2 Preis veranlasst die Firmen, Investitionen in Vermeidungskapitel vorzunehmen, aber kann auch dazu führen, dass einige Firmen abwandern. Um Abwanderung zu verhindern, zahlt der soziale Planer Transfers in Form von Freizertifikaten an die Firmen unter der Bedingung, dass diese ihre Produktionsstätten im Inland beibehalten. Wenn Transfers in beiden Perioden unbeschränkt verfügbar sind, dann zeigt Kapitel 4, dass der soziale Planer die First-Best-Lösung implementieren kann, indem er die CO2 Preise in Höhe des Grenzumweltschadens festsetzt und mit den Transfers jegliche Abwanderung verhindert. Wenn die Transfers allerdings in der Zukunft beschränkt sind, dann könnten einige Firmen die Strategie verfolgen, bei der sie die Transfers in der ersten Periode kassieren, aber danach abwandern. In diesem Fall ist es optimal, einen fallenden CO2 Preispfad zu implementieren, wobei der CO2 Preis der ersten Periode den Grenzumweltschaden übersteigt. Ein hoher CO2 Preis erhöht die Investitionen in Vermeidungskapital und erzeugt dadurch einen Lock- in Effekt. Mit einem größeren Bestand an Vermeidungskapital sind die Gewinne der Firmen weniger vom CO2 Preis der zweiten Periode betroffen, wodurch das Abwanderungsrisiko in der zweiten Periode sinkt.