DISS. ETH NO. 23975
Essays in Public and Environmental Economics
Household Heterogeneity
and the Distributional Effects of Climate Policy
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
GIACOMO ANDREA SCHWARZ
MASt in Mathematics, University of Cambridge
born on 13.05.1988
citizen of Zurich, Switzerland and of Australia
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Sebastian Rausch
Prof. Dr. Valerie J. Karplus
2016
Summary
This thesis contains four essays on the distributional effects of environmental policies. Importantly,
heterogeneous economic burdens can hinder policy implementation, and may call for redistributive
measures to compensate households that are disproportionately impacted. This thesis therefore
addresses questions such as the following: Are rich or poor households more impacted by environmental policy? How is the optimal environmental policy affected by social equity concerns? How
will changing household consumption patterns interact with climate policy in developing economies?
The essays that compose this thesis study the effects of government intervention in a general
equilibrium framework. The analysis thus not only captures the effects of policies on regulated
activities, but also on the broader economy through the interaction of markets and on the origination
and spending of income. A general equilibrium assessment is especially important in the case of
climate policy, as the current economic system is still broadly reliant on energy from fossil sources.
Methodologically, this thesis employs both analytical and computable general equilibrium models.
The former, to derive insights in a general but stylized setting, and the latter, to estimate effects
in a specific context, based on a more detailed representation of the economy.
The first three essays deal with positive aspects of environmental policy, that is, the consequences
of policy are studied without ranking alternatives based on social desirability. Such studies are
intended to provide economic intuition about both the aggregate and distributional effects of
policy, including the effect of alternative allocations of revenues from pollution pricing, and to
provide government decision-makers with a map of the policy space in which they operate. The
fourth essay presents a normative analysis of environmental policy. The goal is hence to identify the
preferred policy amongst alternative environmental tax and revenue redistribution schemes, given
the social objectives of the government.
The first essay examines how the general equilibrium incidence of an environmental tax depends
on the effect of different incomes and preferences of heterogeneous households on aggregate
outcomes. It develops a model in the public economics tradition following Harberger, with general
forms of preferences and substitution between capital, labor, and pollution in production that
captures the impact of household heterogeneity and interactions with production characteristics
on the general equilibrium. Failing to incorporate household heterogeneity is theoretically shown
to affect incidence results qualitatively. This aggregation bias can be quantitatively important for
assessing the incidence of a carbon tax, mainly by affecting the returns to factors of production
such as capital and labor. The findings are robust to a number of extensions including alternative
revenue recycling schemes, pre-existing taxes, non-separable utility in pollution, labor-leisure choice,
and multiple commodities.
The second essay connects the first and third, by comparing incidence results derived in a linearized,
Harberger-type analysis and results based on methodologies that capture the economy’s exact
response to policy. The essay studies the implications of the linearity assumption for the incidence
of price- and quantity-based environmental policies. It proves analytically that changes in output
prices and the pollution level following an environmental tax increase are overestimated in the
i
linearized case, whereby the bias on pollution changes is larger than the bias on price changes.
Subsequent numerical analysis provides quantitative results that are in line with these theoretical
findings. The linearized approach overstates the regressivity of a given environmental tax increase,
and underestimates the regressivity of a policy targeting a given pollution reduction. The pattern
of incidence remains nonetheless similar. The results therefore support the use of the Harberger
approach as a method to assess the incidence of environmental policies, whilst pointing to sources
of potential systematic bias.
The third essay quantifies how energy demand and associated CO2 emissions are affected by
income-driven shifts in consumption patterns in China, the world’s largest emerging economy.
Incorporating empirically-derived Engel curves within a general equilibrium model, the essay finds
that, relative to projections based on standard assumptions of unitary income elasticity, direct
household CO2 emissions in 2030 are 61% lower, and national emissions are reduced by 8%. This
has important implications for the welfare consequences of climate policy. The average welfare
costs of climate policy decrease by more than half, with losses more evenly distributed across
households. This is driven by the easing of policy stringency and convergence in the carbon intensity
of household consumption baskets as incomes rise. The results point to non-homothetic household
preferences as an important determinant of climate policy costs in developing economies, where
incomes, energy demand and emissions are rising rapidly.
The fourth essay examines differentiated pollution pricing in the presence of social equity concerns
using both theoretical and numerical general equilibrium analyses in an optimal taxation framework.
The essay first theoretically studies the optimality conditions for sectoral pollution taxes and redistribution of pollution tax revenues. Heterogeneity in private preferences and endowments across
households interacts with social preferences implying non-uniform pollution taxes at the social optimum. Taxes should be differentiated according to households’ consumption characteristics and
to raise revenues for targeted transfers to households. Quantitatively assessing the scope for differentiated carbon taxes in the context of the U.S. economy, this essay finds that optimal sectoral
carbon taxes differ widely across sectors, even when social inequality aversion is relatively low. The
optimal policy differentiates taxes to strongly increase revenues for redistribution to lower income
households. Considering non-optimal redistribution schemes, the scope for tax differentiation is
somewhat diminished but remains substantial. Relative to uniform carbon pricing, incidence patterns across household expenditure groups for a given redistribution scheme can vary qualitatively
when allowing for differentiated taxes.
ii
Riassunto
Questa tesi contiene quattro saggi sugli effetti distributivi della politica ambientale. Una distribuzione eterogenea dei costi può ostacolare l’attuazione della politica, inoltre che richiedere
possibili misure redistributive per compensare i consumatori più affetti. Questa tesi si occupa
quindi di domande quali le seguenti: Quali consumatori sono più negativamente affetti dalla politica ambientale: quelli ricchi o quelli poveri? Qual’è la politica ambientale ottimale, dati gli obiettivi
sociali del governo? Come interagiranno l’evoluzione delle abitudini dei consumatori con la politica
climatica nelle economie in via di sviluppo?
I saggi che compongono questa tesi studiano gli effetti di un intervento del governo sull’equilibrio
economico generale. L’analisi coglie quindi non solo gli effetti sulle attività regolamentate, ma
anche sull’intera economia, attraverso l’interazione dei mercati, e sui redditi. Tale approccio è
particolarmente importante nel caso della politica climatica, dato che l’attuale sistema economico
è ancora largamente dipendente da fonti di energia fossili. Metodologicamente, questa tesi si
avvale sia di modelli di equilibrio generale analitici che computazionali. I primi servono ad ottenere
un’intuizione economica in un contesto generale benché stilizzato; i secondi a stimare gli effetti in
un contesto specifico, sulla base di una rappresentazione più dettagliata dell’economia.
I primi tre saggi analizzano aspetti positivi della politica ambientale. Le conseguenze di tale politica
sono quindi studiate senza valutare alternative in base alla loro desiderabilità sociale. Questi studi
sono intesi a fornire un’intuizione economica degli effetti aggregati e distributivi della politica,
incluso l’effetto di utilizzi alternativi degli introiti dalla tassazione dell’inquinamento, così come
fornire al governo una mappa dello spazio politico nel quale opera. Il quarto saggio presenta
un’analisi normativa della politica ambientale. L’obiettivo è quindi di identificare la politica migliore
fra schemi alternativi di tassazione ambientale e di redistribuzione degli introiti fiscali, dati gli
obiettivi sociali del governo.
Il primo saggio esamina come l’incidenza di una tassa ambientale dipende dall’effetto delle caratteristiche di consumatori eterogenei (in termini di redditi e preferenze) sui risultati aggregati.
Questo saggio sviluppa un modello nella tradizione di Harberger con forme generali di preferenze
e produzione caratterizzata da sostituzione tra capitale, lavoro, ed inquinamento. Il modello cattura l’impatto dell’eterogeneità fra consumatori e le interazioni con le caratteristiche produttive
sull’equilibrio economico generale. In una prima parte teorica, si dimostra che un’analisi che non
rappresenta l’eterogeneità fra consumatori porta a risultati qualitativamente diversi. In una seconda parte applicata, si mostra che questa differenza può essere quantitativamente importante per
la valutazione dell’incidenza di una tassa sulle emissioni di anidride carbonica, soprattutto tramite
l’influsso sul rendimento dei fattori di produzione quali capitale e lavoro. I risultati sono robusti
ad una serie di estensioni tra le quali modi alternativi di redistribuire gli introiti fiscali, altre tasse
preesistenti, preferenze non separabili nell’inquinamento, scelta fra tempo libero e lavoro, ed un
maggior numero di settori.
Il secondo saggio collega il primo ed il terzo. Il saggio confronta risultati di incidenza derivati nel
contesto di un’analisi linearizzata nella tradizione di Harberger con risultati basati su metodoloiii
gie che catturano la reazione esatta dell’economia. Il saggio studia le implicazioni di un’analisi
linearizzata per l’incidenza di politiche ambientali che mirano sia ad implementare una data tassa
sull’inquinamento che una data riduzione dell’inquinamento. Il saggio dimostra analiticamente che
un’analisi linearizzata sopravvaluta il cambiamento dei prezzi e del livello di inquinamento a seguito
di un dato aumento della tassa ambientale. L’imprecisione è maggiore per il cambiamento del
livello di inquinamento rispetto al cambiamento dei prezzi. I risultati quantitativi confermano i
risultati teorici. La regressività di un dato aumento della tassa sull’inquinamento è sopravvalutata
dall’approccio linearizzato. Una data riduzione dell’inquinamento appare dall’altro canto meno regressiva rispetto a risultati basati su un’analisi che va oltre agli effetti lineari. L’incidenza rimane
però simile in entrambe i casi. I risultati sostengono quindi l’approccio nella tradizione di Harberger per la valutazione dell’incidenza di politiche ambientali, indicando al contempo possibili fonti
sistematiche di imprecisione.
Il terzo saggio quantifica come l’evoluzione delle abitudini di consumo e l’eterogeneità fra consumatori influenzano sia le emissioni di CO2 che le conseguenze economiche della politica climatica in
Cina, la più grande economia emergente al mondo. Il saggio sviluppa un metodo per incorporare
curve di Engel derivate empiricamente in un modello di equilibrio economico generale e proietta sia
il consumo energetico futuro che le emissioni di CO2 . Rispetto a proiezioni basate sull’ipotesi standard di preferenze omotetiche, le emissioni dirette di CO2 causate dai consumatori sono inferiori
del 61%, e le emissioni nazionali sono ridotte dell’8%. I costi della politica climatica, misurati in
termini di benessere economico, si riducono di oltre la metà, e le perdite sono più ugualmente distribuite fra consumatori. Questi risultati sono causati dall’allentamento della severità della politica
climatica e da una convergenza dell’intensità di CO2 del consumo in seguito al rapido aumento dei
redditi. Questo saggio mette in risalto preferenze non omotetiche quali fattore importante per i
costi della politica climatica nelle economie in via di sviluppo, dove i redditi, il consumo di energia,
e le emissioni sono in rapida crescita.
Il quarto saggio illustra come le tasse ottimali sull’inquinamento possono essere differenziate fra
settori economici, a causa di considerazioni sociali riguardo all’uguaglianza distributiva, avvalendosi
di modelli di equilibrio economico generale teoretici e computazionali. Questo saggio studia dapprima condizioni generali per l’ottimalità di tasse sull’inquinamento e redistribuzione degli introiti
fiscali. Redditi e preferenze private eterogenei interagiscono con le preferenze pubbliche nel motivare tasse ambientali differenziate. Da un lato, le tasse sull’inquinamento sono differenziate in
modo ottimale per aumentare le entrate fiscali a scopi redistributivi; dall’altro, in base alle differenti preferenze dei consumatori. Il saggio calibra in seguito un modello computazionale con dati
reali per quantificare questi effetti nel contesto dell’economia degli Stati Uniti d’America. I risultati
mostrano che le tasse ottimali sono fortemente differenziate, anche quando l’avversione del governo
alla disuguaglianza è relativamente bassa. La politica ottimale differenzia le tasse sull’inquinamento
per aumentare significativamente gli introiti fiscali, che vengono poi redistribuiti ad i consumatori
a basso reddito. Considerando schemi redistributivi non ottimali la differenziazione diminuisce, rimanendo comunque significativa. L’incidenza per un dato schema redistributivo e tasse ambientali
differenziate può differire qualitativamente dal caso con tasse ambientali uniformi.
iv
