Essays on demographic change and R&D-based economic growth

Abstract

This dissertation analyzes the economic growth effects of demographic change embedded in a framework of endogenous R&D. Substantial changes in fertility and longevity are the two main demographic features that all industrialized countries have experienced during the twentieth century and are still experiencing until today. Although the individual gains of higher life expectancy and better education, initiated by a quantity-quality tradeoff, are huge, there exist concerns about the macroeconomic effects. To improve the understanding about the aforementioned relationships, this work extends the existing literature on the growth effects of population aging by 1) introducing exogenous longevity into a growth framework with vertical innovations; 2) by endogenizing life expectancy in a growth framework with horizontal innovations; and 3) by examining the growth effects of basic scientific knowledge over the very long run. Chapter two contains the first paper titled “Longevity-induced Vertical Innovation and the Tradeoff Between Life and Growth”, which is joint work with Annarita Baldanzi and Klaus Prettner. In this paper, the positive effect of a longer retirement period on individual savings is utilized. A higher exogenous probability to survive to old age raises savings, placing a downward pressure on the market interest rate. On the production side, a lower interest rate increases the present value of holding a patent, which, in turn, makes R&D more profitable. As a result, R&D employment increases, leading to a higher frequency of quality improving ideas and, with it, faster economic growth. It is shown that the relationship between life expectancy and economic growth is strictly positive. In a welfare analysis, the utility gains of living longer are disentangled from the longevity-induced utility gains of higher consumption. The analysis concludes that the direct welfare gains of higher life expectancy, usually, outweigh the indirect welfare gains of faster economic growth. Chapter three contains a single-authored paper and is titled “Endogenous Life Expectancy and R&D-based Economic Growth”. As the title suggests, life expectancy is endogenized and increases in the public resources devoted toward health. Again, the longevity-saving-channel is present. Additionally, a quantity-quality tradeoff is introduced, such that parents have to decide on the number of children to have and on the childrens level of education. Besides the positive saving effect, life expectancy impacts positively on the labor force participation rate and negatively on the fertility rate. The reason is that adults need to work more (at the expense of having fewer children), to compensate for a prolonged retirement period. The feedback effects with production, characterized by horizontal innovation, are then analyzed in a calibrated version of the model. Using U.S. data, the model suggests that the overall effect of life expectancy on economic growth is positive and amounts to 11.9 % of the increases in the real GDP p.c. over the period 1960-2017. From a welfare perspective, the results indicate that the growth-maximizing size of the health care sector might lie beyond what is observed in most industrialized countries, nowadays. The finding that the size of the health care sector that maximizes life expectancy is substantially larger than the growth-maximizing size supports the view to not only consider the growth effects of health care. Chapter four contains the third paper which is co-authored with Klaus Prettner and is titled “The Scientific Revolution and Its Role in the Transition to Sustained Economic Growth”. Basic scientific knowledge is introduced as a necessary input in applied R&D and increases in the number of tinkerers in the economy and in their education. For low levels of development, fertility is high and educational investments are zero. Once income surpasses a certain threshold, education turns positive. Together with the consequent fertility transition, this marks the takeoff to sustained economic growth. It is shown that the growth rate of as well as the access to basic scientific knowledge is crucial in determining the timing and the magnitude of the takeoff. For low growth rates and low access, the takeoff is delayed by up to one generation because applied R&D takes longer to become profitable. In the extreme case of zero basic scientific knowledge, no takeoff might occur at all. The results improve the understanding of economic growth processes over the very long run and provide one possible explanation why some regions experienced the takeoff to sustained economic growth earlier than others.

Diese Dissertation analysiert die ökonomischen Wachstumseffekte des demographischen Wandels im Rahmen endogener Wachstumsmodelle. Substantielle Veränderungen der Fertilität und der Lebenserwartung sind die beiden demographischen Hauptmerkmale, welche alle Industrieländer charakterisieren. Obwohl die individuellen Gewinne aufgrund gestiegener Lebenserwartung und besserer Bildung substantiell sind, bestehen Bedenken hinsichtlich der makroökonomischen Auswirkungen. Um das Verständnis hierüber zu verbessern, erweitert diese Dissertation die bestehende Literatur, indem sie 1) eine exogene Überlebenswahrscheinlichkeit in ein Wachstumsmodell mit vertikalen Innovationen integriert; 2) die Lebenserwartung in einem Wachstumsmodell mit horizontalen Innovationen endogenisiert; und 3) die Wachstumseffekte von Grundlagenforschung innerhalb eines Unified Growth Modells untersucht. Kapitel zwei enthält das erste Papier mit dem Titel "Longevity-induced Vertical Innovation and the Tradeoff between Life and Growth", welches gemeinsam mit Annarita Baldanzi und Klaus Prettner verfasst wurde. In diesem Papier wird der positive Effekt einer steigenden Lebenserwartung auf die individuelle Ersparnisbildung verwendet. Eine höhere exogene Wahrscheinlichkeit, bis ins Rentenalter zu überleben, erhöht die Ersparnisbildung und senkt somit den Marktzins. Auf Produktionsseite erhöht ein niedrigerer Zinssatz den Gegenwartswert eines Patents, was wiederum Forschung profitabler macht. Infolgedessen steigt die Anzahl an Wissenschaftlern, was zu einer höheren Frequenz von qualitätsverbessernden Patenten und somit zu höherem Wirtschaftswachstum führt. Es wird analytisch gezeigt, dass die Beziehung zwischen Lebenserwartung und Wirtschaftswachstum strikt positiv ist. In einer Wohlfahrtsanalyse wird zudem zwischen dem Nutzengewinn eines längeren Lebens und dem Nutzengewinn durch höheren Konsum differenziert. Die Analyse zeigt, dass die direkten Wohlfahrtsgewinne einer höheren Lebenserwartung in der Regel die indirekten Wohlfahrtsgewinne schnelleren Wirtschaftswachstums übersteigen. Kapitel drei enthält das zweite Papier mit dem Titel "Endogenous Life-Expectancy and R&D-based Economic Growth". Die Lebenserwartung wird endogenisiert, indem staatliche Gesundheitsinvestitionen die Überlebenswahrscheinlichkeit erhöhen. Zusätzlich zur individuellen Ersparnisbildung entscheiden Eltern über die Anzahl der Kinder und deren Bildungsgrad. Neben dem Spareffekt wirkt sich die Lebenserwartung positiv auf die Erwerbsquote und negativ auf die Fertilitätsrate aus. Der Grund hierfür ist, dass Arbeitnehmer mehr arbeiten müssen (auf Kosten von weniger Kindern), um eine längere Rentenzeit zu finanzieren. Die Rückkopplungseffekte mit der Produktionsseite werden in einer kalibrierten Version des Modells analysiert. Unter Verwendung von U.S.-Daten legen die Ergebnisse nahe, dass der Gesamteffekt der Lebenserwartung für das Wirtschaftswachstum positiv ist und 11,9 % der Steigerungen des realen BIP p.c. im Zeitraum 1960-2017 ausgemacht hat. Aus Wohlfahrtsperspektive deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Größe des Gesundheitssektors in den meisten Industrieländern unter der wachstumsmaximierenden Größe liegt. Die Feststellung, dass die Größe des Gesundheitssektors, der die Lebenserwartung maximiert, wesentlich größer ist als die wachstumsmaximierende Größe, unterstützt die Ansicht, nicht nur die Wachstumseffekte von Gesundheit zu berücksichtigen. Kapitel vier enthält das dritte Papier, welches gemeinsam mit Klaus Prettner verfasst wurde und den Titel “The Scientific Revolution and Its Role in the Transition to Sustained Economic Growth” trägt. Wissenschaftliches Grundlagenwissen wird als notwendiger Input für angewandte Forschung integriert und wächst in Abhängigkeit von der Bevölkerungsgröße und den Bildungsinvestitionen. Für einen niedrigen ökonomischen Entwicklungsgrad ist die Fertilität hoch und es gibt keine Bildungsinvestitionen. Sobald das Einkommen einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, werden Bildungsinvestitionen positiv. Zusammen mit dem dadurch initiierten Fertilitätsübergang markiert dies den Beginn der Phase anhaltenden Wirtschaftswachstums. Es wird gezeigt, dass die Wachstumsrate von sowie der Zugang zu grundlegenden wissenschaftlichen Kenntnissen entscheidend für den Zeitpunkt und das Ausmaß des ökonomischen Takeoffs sind. Für niedrige Wachstumsraten und einen reduzierten Zugang zu Grundlagenforschung verzögert sich der Takeoff um eine Generation, da angewandte Forschung erst später profitabel wird. Für den Fall, dass gar keine Grundlagenforschung verfügbar ist, stagniert die Ökonomie für immer. Diese Ergebnisse verbessern das Verständnis über langfristige ökonomische Wachstumsprozesse und liefern eine mögliche Erklärung, weshalb einige Regionen den Takeoff zu anhaltendem Wirtschaftswachstum früher als andere erlebt haben.