에너지자원공학과: 국제에너지시장분석

안녕하세요, 공우 15기 윤한솔입니다. 오늘 소개해드릴 과목은 에너지자원공학과 3,4학년 전공선택 과목인 “국제에너지시장분석”입니다.

1. 과목에서 배울 수 있는 내용

1.1. 배경과 목적

에너지자원공학과에서는 석유, 가스, 광물 등의 자원을 탐사, 시추, 회수하는 공학적 방법들을 공부합니다. 그러나 해당 과정을 다루는 산업들은 그 중심이 되는 자원의 가격 변동에 따라 사업의 경제성이 크게 달라집니다. 이러한 위험을 효과적으로 제어하고 성공적으로 에너지자원사업을 이끌어가기 위해서는 자원 가격에 대한 이해가 필수적이며, 이를 위해 에너지자원공학과에서 다루는 분야가 바로 자원경제학입니다.

자원경제학은 석유, 가스, 광물 가격의 변동에 영향을 주는 요인들을 찾아내고, 향후 해당 가격의 움직임을 예측함으로써 에너지 자원을 둘러싼 시장과 이로부터 파생되는 다양한 경제현상을 이해하는 데에 그 목적이 있습니다.

1.2. 과목 개요 및 구성

국제에너지시장분석은 자원경제학의 가장 기초가 되는 입문 과목으로 해당 과목에서는 국제 에너지 자원 시장의 특성에 대해 공부하고, 이와 동시에 통계 프로그램 (STATA) 실습을 진행하여 실증 분석을 위한 기초 역량을 쌓습니다. 본 과목에서 공부하는 내용은 크게 다음과 같습니다.

• 화석에너지자원의 특징
• 세계 에너지자원 시장
• 계량경제분석모형

이에 더해 본 과목을 담당하시는 교수님께서 실증 분석을 굉장히 중요하게 생각하시는만큼 수업에서 배운 내용을 바탕으로 두 개의 프로젝트를 진행합니다. 첫 번째 프로젝트는 학기말 시점의 국제 유가와 금 가격을 통계적 방법과 여러 정성적 평가들을 바탕으로 예측하는 팀 프로젝트이며, 실제 가격에 가장 근접하게 예측한 팀이 가장 높은 점수를 받아갑니다. 두 번째 프로젝트는 학생이 원하는 주제를 자유롭게 선정하여 간단한 연구를 진행해보는 개인 프로젝트입니다. 한 예시로, 제가 수강했을 당시 진행한 프로젝트의 주제는 “기준 유가와 탄소배출권가격의 석유E&P기업과 청정에너지기업 투자수익률에 대한 영향 비교분석” 이었습니다.

1.3. 중심 개념 설명

1.3.1. 에너지자원의 특징

시장에서 거래되는 여러 자원과 상품들은 각자 자기만의 특성이 있고, 이러한 특성이 자원/상품이 거래되는 방식에 큰 영향을 줍니다. 그렇다면 석유, 석탄, 천연가스와 같은 에너지자원의 특징적인 점들은 무엇이 있을까요?

에너지자원은 다른 상품들과는 사뭇 다른 세 가지 특징을 갖고 있으며 이는 다음과 같습니다.

Exhaustion
다른 상품과 달리 에너지자원은 고갈성 자원입니다. 재생산이 불가능하며, 특히 광물 자원을 제외한 화석에너지자원은 재활용 또한 불가하다는 특징이 있습니다. 이에 따라 에너지자원사업은 장기적 측면에서 보았을 때 자원의 총 매장량에 영향을 받게 됩니다.
여담으로 화석에너지자원에 대한 고갈 시점은 이전부터 논의되어 왔으나, 현재까지의 자원 탐사/시추 기술의 발전으로 새로 발견된 매장량과 시추 가능 자원량이 증가함에 따라 고갈 시점이 지속적으로 늦어지고 있습니다.

Maldistribution
에너지자원의 또다른 특징은 부존 지역이 편재되어있다는 점입니다. 에너지자원은 지하 구조 형성 과정과 형태에 따라 생성되고 이동하기 때문에 일부 지역에만 집중적으로 분포하는 경향이 있습니다. 예를 들어 석유의 경우에는 멕시코만, 북극해 일부 지역, 중동 일부 지역 등에, 리튬의 경우 칠레, 중국, 호주 등에 집중되어 있습니다. 모든 국가가 필요로 하는 자원의 이러한 지역적 편재는 다양한 국제 분쟁의 주 원인 중 하나로 작용하고 있습니다.

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<그림 1> Shale Oil / Gas 매장 추정 지역 [1]

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Natural Monopoly
에너지자원의 마지막 특징은 공급자(혹은 시장참여자)가 제한되어있다는 것입니다. 이러한 제한은 두 가지 이유에서 기인합니다. 첫째, 당연하게도 자국에서 자원이 생산되지 않으면 공급자로서 시장에 참여할 수 없습니다. 이는 maldistribution에서 기인하는 문제입니다. 둘째, 에너지자원사업은 대규모 사업인만큼 초기 투자 비용이 굉장히 큽니다. 그러나 설상가상으로 실패 확률 또한 크기 때문에 (자원 탐사 정확도의 기술적 한계) 자본을 충분히 갖고 있지 않은 국가나 기업이 에너지자원 사업에 참여하는 데에는 높은 진입장벽이 있습니다. 결과적으로 에너지자원의 공급자는 자원이 자국에서 생산되는 국가와 거대 자본에 기반한 기업들로 한정됩니다.

1.3.2. 세계에너지자원시장

수업에서는 다양한 에너지자원 중 특히 원유(crude oil)를 중심으로 한 에너지자원시장에 대해 배우게 됩니다.

원유를 중심으로 한 시장은 1970년대 이전에는 현재의 Exxon mobil, Chevron, Shell와 같은 메이저 석유 회사들과 산유국 간의 장기계약으로 가격이 결정되었다면, 여러 국제 갈등과 oil shock를 거치며 현재에는 거래되는 전체 원유 중 60%는 장기계약으로, 40%는 현물시장을 통해 거래됩니다.

현물 시장이 발전하며 현물 거래의 기준이 되는 물류 중심지들이 등장하였습니다. 이를 바탕으로 거래량이 높고, 공급이 안정적이고, 판매자와 구매자가 모두 풍부한 원유 종류가 다수 원유 상품들에 대한 지표로 작용하기 시작하였고, 이러한 원유를 기준 원유라고 부르기 시작했습니다.

가장 널리 통용되는 기준 원유는 총 3가지로, 지역에 따라 미국에서는 WTI crude, 유럽에서는 Brent crude, 아시아에서는 Dubai crude가 기준 원유로 사용됩니다. 기준 원유들을 포함한 여러 원유 종류는 황 함유량과 밀도에 따라 분류되어있습니다. 원유는 보통 황 함량이 낮을수록(sweet sour), 밀도가 작을수록 (light heavy) 정유 과정이 간단하고 2차 생산물의 품질이 좋은 것으로 인식됩니다.

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<그림 2> 밀도에 따라 분류된 원유 (밀도 대신 API Gravity 지표 사용) [2]

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1.3.3. 세계에너지자원시장의 변화

수업에서는 학기 중 진행할 예정인 유가 및 금 가격 예측 프로젝트의 일환으로 원유를 둘러싼 에너지자원시장의 역사에 대해 간략하게 배우게 됩니다. 해당 부분에서는 유가에 영향을 미치는 핵심 요소들이 무엇이고, 또 그러한 요소들이 어떻게 유가에 영향을 미치는지에 대해 개괄적으로 배울 수 있습니다. 향후 국제에너지시장분석을 수강할 계획인 학우들과, 이외에도 에너지자원시장에 대해 흥미를 갖고 계신 분들에게 도움이 되고자 수업에서 배운 것들과 제가 추가로 공부한 내용을 바탕으로 간단히 정리한 국제원유시장 변화의 간단한 역사와 그 주요 원인들에 대하여 잠시 소개해드리도록 하겠습니다.

아래 그래프는 앞서 설명드린 기준 원유 중 WTI와 Brent 원유의 1987년부터 2024년까지의 주별 가격과, 원유 시장에 크게 영향을 미친 사건들을 종합해 제작한 그래프입니다. 연한 녹색은 Brent 원유 가격, 진한 녹색은 WTI 원유의 가격을 나타내고 있습니다. 이때 Brent의 가격이 WTI보다 항상 조금 높게 유지되고 있다는 것을 볼 수 있는데 이는 Brent 원유의 특성에 따른 것으로, 황 함량이나 밀도를 고려했을 때 Brent의 품질이 WTI 보다 높게 평가되기 때문입니다.

원유 시장에 큰 영향을 미친 사건들은 굉장히 다양하지만, 가장 크게 영향을 미친 사건들은 아래 그림의 푸른색 박스 내 사건들로 정리할 수 있습니다. 먼저 1990년에는 Gulf War로 인해 이라크에 경제 제재가 가해지고 중동 정세가 불안정해지며 당시 유가가 급등하는 현상이 벌어졌습니다. 이는 중동 지역의 안정적인 원유 수급에 대한 불안으로 인해 공급 측면에서 발생한 쇼크라고 알려져있습니다. 이후 경기가 활성화되며 꾸준히 상승하던 유가는 중국과 인도의 경제성장으로 인해 급증한 원유 수요와 더불어 다시 긴장도가 높아지던 중동 정세로 인해 2008년 가격이 빠른속도로 증가하였습니다. 그러나 2008년 세계 금융위기와 함께 유가도 급락하게 되었습니다. 2008년의 유가변동은 원유 수요의 변화가 주된 역할을 하였습니다. 금융위기로부터 세계 경제가 회복하며 유가가 다시 상승하기 시작하였으나, 미국에서shale층의 원유를 효과적으로 생산할 수 있는 hydrofracturing 기법이 큰 성공을 거두며 원유의 잠재 공급량이 크게 증가하고, 이는 장기적인 유가 하향세를 유발하였습니다. 이후 코로나19 유행으로 경기가 급속히 침체되며 유가가 급락하였고, 경기가 반등하며 높아진 유가는 최근 러시아-우크라이나 (또는 우크라이나-러시아) 전쟁으로 인해 유가가 급등하였습니다. 이는 큰 산유국인 러시아에 대한 경제 제재로 인한 원유 수급 불안으로 인한 것이었으며, 러시아가 중국, 인도 등으로 수출처를 다변화하며 다시 유가가 내려오는 양상을 보였습니다.

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<그림 3> Historical weekly WTI & Brent crude price [3]

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1.3.4. 계량경제학 Econometrics

본 수업에서는 실증분석을 위해 계량경제학의 기초를 공부하게 됩니다. 계량경제학은 간단하게 말해 변수들간의 관계를 분석하는 학문분야라고 할 수 있습니다. 조금 더 구체적으로 말하자면, 분석하고자 하는 현실의 경제 현상을 적절한 이론을 근거로 하여 설명할 수 있다고 생각되는 변수들을 선정하고, 해당 변수들의 통계 자료에 대해 통계 모델을 구성하여 변수들 간의 관계를 수치로 나타내는 실증분석방법을 연구하는 학문입니다. 계량경제학은 공학을 공부하는 학생 입장에서 추상적으로만 느껴지는 경제 현상들과 이슈들을 직접 통계 자료를 모아 정량적 분석 방법을 통해 설명할 수 있다는 점이 흥미롭게 다가오는 분야였습니다.

분석하고자 하는 현상을 정했다면, 이론을 통해 설명의 대상이 되는 변수와, 설명의 주체가 되는 변수를 선정해야 합니다. 이때 전자를 종속변수, 후자를 독립변수 (혹은 설명변수) 라고 합니다. 변수를 선정한 후에는 해당 변수들을 이용한 설명 모델을 구성하게 되고, 설명 모델 중 가장 기본이 되는 것이 바로 회귀분석모형**(Regression Model)**입니다.

실제 현실에 존재하는 변수들간의 관계를 회귀분석모형을 통해 완벽하게 재현하는 것은 불가능에 가깝다고 할 수 있습니다. 당연히 종속 변수에 영향을 미치는 변수는 선정된 설명 변수들 외에도 수없이 많을 것이고, 변수들간의 실제 관계 또한 이론에 근거하여 구성한 회귀분석모형과는 차이가 있을 것이며, 회귀분석모형을 구성하기 위해 수집한 변수들의 통계량에도 한계가 있기 때문입니다. 계량경제학에서 회귀분석모형을 가장 적절하게 추정하기 위해서 쓰는 방법으로는 Least Squared Error, Maximum Likelihood, Method of Moments, Semi/Non-parametric 방법 등이 있습니다.

이러한 방법을 통해 추정된 회귀분석모형이 데이터를 잘 설명하는 모형인지 평가하기 위해서는 보통 다음과 같은 3가지 수치를 확인합니다.

결정 계수 (R-squared) / 설명변수의 P value / 교란항 통계량

간단히 말하자면, 결정 계수는 회귀분석모형이 실제 변수 데이터를 얼마나 잘 설명하고 있는지를 나타낸 수치입니다. 결정 계수를 구하는 식은 다음과 같습니다.

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$$R^{2} = 1-{SS_{RES} \over SS_{ToT}} = 1 - \sum_{\substack{i}}{(y_i - \hat{y}_i)^2 \over (y_i - \bar{y}_i)^2}$$
<식 1> R squared 계산식 [4]

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이때 y는 종속변수의 실제 데이터, y_hat은 회귀분석모형을 통해 추정한 종속 변수의 값, 그리고 y_bar는 종속변수의 평균값을 나타냅니다. 이를 바탕으로 식을 이해해보면 결정 계수는 회귀분석모형이 설명하지 못하는 오차(교란항)를 종속변수의 평균으로부터의 총 변동량으로 나눈 후 이를 1에서 뺀 값으로, 회귀분석모형의 설명력이 높을수록 1에 가까워짐을 알 수 있습니다.

설명변수의 P value는 설명변수의 유의성을 검증하기 위해 사용되며, 해당 통계량이 0에 가까울수록 종속 변수와 해당 설명 변수 간에 유의한 관계가 없다는 가정이 거짓일 확률이 높다는 것을 뜻합니다. 다시 말해, 설명변수의 P value가 작을수록 종속 변수가 선정된 설명 변수로 충분히 설명된다는 것입니다. P value는 설명변수들을 어떻게 조합하는지에 따라서도 달라지기 때문에 회귀분석모형을 구성할 때에는 하나의 설명변수에만 매몰되기보다는 다양한 변수 조합들을 고려해보아야 합니다.

회귀분석모형과 실제 데이터 간의 오차인 교란항은 해당 모형을 평가할 수 있는 좋은 통계량을 제공해줍니다. 교란항의 통계량이5가지 조건을 만족할 때에 회귀분석모형이 좋은 모형이라고 평가받으며 그 조건은 다음과 같습니다.

Zero mean / Homoscedasticity / Normal distribution / No autocorrelation / No correlation

모든 조건은 오차를random noise로 처리할 수 있는지를 판단하기 위한 조건들입니다. Zero mean은 오차의 평균이 0이어야 한다는 조건, homoscedasticity는 오차의 분산이 다른 변수들의 값에 따라 변하지 않는다는 조건, normal distribution은 오차가 정규분포 형태의 분포를 갖고 있다는 조건, no autocorrelation은 시간항에 따른 교란항끼리의 상관성이 존재하지 않는다는 조건 (시간의 흐름에 따라 교란항이 경향성을 보이지 않는다는 조건), 마지막으로 no correlation은 설명변수와 교란항 사이에 상관관계가 없다는 조건을 뜻합니다.

본 과목에서는 위와 같은 기초 내용들을 바탕으로 에너지자원시장의 거래 방법이나 종류에 대해서, 또한 시계열 자료를 분석하고 예측하는 구체적인 방법에 대해서 더 자세히 공부합니다. 그리고 이를 통해 실증 분석을 직접 시행해보며 자원경제학에 대한 기초 역량을 쌓게 됩니다.

2. 선배의 조언

본 과목은 2개의 프로젝트와 (팀/개인) 1번의 기말고사가 있는 과목으로, 이론적인 공부도 중요하지만, 직접 데이터를 수집하고 실증분석을 수행하는 것도 굉장히 중요하다고 생각합니다.

이론 공부에 있어서는 에너지자원 관련 시장에 대한 역사와 경제적 특징들을 배우는 부분과 계량경제학의 기초를 배우는 두 부분으로 나뉩니다.
전자의 경우는 공학대학에서는 평소에 공부해본적이 없는 내용인 만큼 이해가 되지 않거나 흐름이 부자연스럽다고 느껴지는 내용들이 존재합니다. 특히 에너지자원의 경우 에너지자원만의 독특한 성질로 인해 거래되는 방식이나 가격 양상이 일반적인 금융상품과는 다르기 때문에 이를 처음 배울 때에는 사건 간의 인과관계를 빠르게 파악하기 어려울 수 있습니다. 교수님 또한 이를 충분히 인지하고 계시기 때문에 자유롭게 질문하며 학습하는 것이 가장 효율적인 공부 방법이라고 생각합니다. 이에 더해 유가를 비롯해 여러 자원 가격이 어떻게 변화하는지를 추적하며 공부한다면 빠르게 이해의 깊이를 더할 수 있을 것입니다. (공부하며 참고할만한 사이트 목록은 “2. 선배의 조언” 마지막 부분에 정리해놓았습니다!)
후자의 경우는 통계에 대한 기본 지식이 있다면 어렵지 않게 공부할 수 있기 때문에 공부하는 것에 있어서 어려움은 별로 없습니다. 그러나 해당 내용을 바탕으로 실증분석을 진행해야 하므로 실습 시간에 주어진 프로그램을 사용해 충분히 연습하는 것이 큰 도움이 됩니다. (본 과목에서는 실습을 위해 통계분석프로그램 STATA를 사용합니다. 이 프로그램은 마이스누 SW 다운로드에도 있습니다.)

본 과목의 꽃은 바로 팀 프로젝트라고 생각합니다. 팀 프로젝트는 다음과 같이 진행됩니다.
학기 초에 가격을 예측하고자 하는 에너지자원과 목표 일자를 정한 후, 팀 단위로 가격 분석을 진행하여 결과로 얻은 자원 가격을 학기 중반에 발표합니다. 이후 목표 일자가 되면, 각 팀이 발표한 해당 일자에 대한 예측 가격과 실제 자원 가격을 비교하여 가장 가깝게 예측한 팀이 최고점을 받아갑니다.
가격 예측을 위해서는 OLS, GLS, ARIMA 등 수업에서 배운 매우 기초적이고 전통적인 계량경제학적 방법을 이용하며, 이러한 정량적 분석에 더해 해당 시점의 여러 정성적 요소들(지정학적 갈등 등)을 고려하여 최종 예측 가격을 산정합니다. 물론 분석 방법과 분석 결과의 이론적 근거가 굉장히 제한되어 있지만 실제 자원 가격에 대해서 배운 것을 토대로 분석을 해보고, 결과를 통해 보상받는다는 시스템이 매우 인상적인 과목입니다.
제가 프로젝트를 진행했을 당시에는 러시아의 우크라이나 침공이 굉장히 큰 변수로 작용해 계량경제분석모델로 유가와 금 가격에 대한 단기 예측을 진행하기 굉장히 어려웠던 기억이 있지만, 이러한 경험을 계기로 실제 세계를 정량적으로 분석하여 이해하고 예측하는 자원경제학에 매력을 느껴 현재는 해당 분야의 대학원으로 진학하였습니다.

학습 시 유용한 사이트

• U.S. EIA (Energy Information Administration/미국 에너지 정보 관리 기관 – Today in Energy)
• Stratas Advisors (개인 리서치 기업 – Weekly oil price outlook
• 에너지경제연구원 (국가 기관 – 전자도서관)

3. 진로 선택에 도움되는 점

본 과목에서 다루는 내용은 자원경제학의 기초가 되는 내용입니다. 해당 내용은 현재 금융업계나 각종 산업계에서 실제로 활용되고 있는 내용들로, 주로 변화하는 경제상황에 대해 효율적인 의사결정 방식의 이론적 근거를 만들기 위해 활용됩니다. 이에 따라 해당 과목을 담당하시는 교수님의 연구실 졸업생들은 에너지경제연구원과 같은 연구소나 에너지 업계 회사들의 전략/기획부서로 진출하는 경향이 강하며 금융업계에서의 리서치 직무로 들어가는 경우 또한 존재합니다.

4. 맺음말

본 과목은 자원경제학의 기초가 되는 내용을 배우는 과목으로, 에너지자원의 특징과 이러한 특징들이 에너지자원시장에서는 어떻게 나타나는지에 대해서 배우고, 계량경제학적 방법을 활용해 실제 데이터를 분석하는 방법에 대해서 배우게 됩니다. 공과대학에서 일반적으로 배우는 과목과는 결이 다른 내용을 배우는 만큼 해당 내용들이 조금 생소하게 느껴질 수 있지만, 이를 통해 세계가 돌아가는 근본적인 방식에 대해 이해할 수 있는 첫 단추가 되는 과목이었습니다. 이 과목을 계기로 해당 분야에 관심이 생긴다면 조금 더 깊이 뛰어들어 관련 논문들, 에너지자원 관련 국제 뉴스들을 찾아보는 걸 추천합니다.

감사합니다.

References

[1] U.S. Energy Information Administration - EIA - independent statistics and analysis. EIA. (2015, September 24). https://www.eia.gov/analysis/studies/worldshalegas/ (Accessed 2024, May 10)

[2] Andrews, K. Types of crude oil: Heavy vs light, sweet vs sour, and Tan count. Kimray. https://kimray.com/training/types-crude-oil-heavy-vs-light-sweet-vs-sour-and-tan-count (Accessed 2024, May 11)

[3] U.S. Energy Information Administration - EIA - independent statistics and analysis. EIA. (2015, September 24). https://www.eia.gov/dnav/pet/hist/LeafHandler.ashx?n=pet&s=rwtc&f=w (Accessed 2024, June 25)

[4] 국제에너지시장분석 수업 자료