Efficient market design for a low-carbon energy market considering information asymmetry and market uncertainty = 정보 비대칭성 및 시장 불확실성을 고려한 저탄소 에너지 시장에서의 효율적 시장 설계

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The global transition toward low-carbon energy systems has become an urgent objective, prompting major economies to implement a range of support schemes aimed at accelerating decarbonization. However, the evolving characteristics of low-carbon energy markets have exposed fundamental limitations in these conventional mechanisms. In particular, today’s markets are defined by a diverse mix of emerging energy sources, increased decentralization of participation, and heightened volatility in generation costs, which exacerbate both information asymmetry and market uncertainty. Furthermore, these environments are populated by strategic agents who make decisions to maximize their payoffs based on expectations about others’ actions and private information. In such settings, asymmetries in information or uncertainty can lead to significant deviations from efficient outcomes, as agents strategically misreport information or adjust their behavior to gain a competitive advantage. As a result, there is a growing need for efficient market designs that explicitly account for these informational and structural complexities.

This dissertation addresses these challenges by proposing novel market designs using mechanism design theory for two representative low-carbon energy sectors: peer-to-peer (P2P) energy trading platforms and clean hydrogen power procurement markets. Both settings are characterized by different forms of features: P2P markets involve decentralized and two-sided interactions with bilateral trading, while hydrogen procurement markets face severe cost uncertainty and technological immaturity.

Initially, we develop a double auction mechanism for P2P energy trading that explicitly incorporates power losses and transaction costs. P2P trading enables energy prosumers, such as households or EV users, to directly exchange surplus electricity, bypassing the centralized grid and potentially achieving better economic outcomes. The proposed mechanism accounts for heterogeneous power losses and transaction costs, which vary depending on the trading pair. The auction efficiently determines buyer-seller matching, allocates traded quantities, and sets trading prices, while satisfying desirable properties of direct mechanisms. This design offers an efficient and fair allocation rule for decentralized trading environments.

Then, we develop multi-attribute auction mechanisms for South Korea’s hydrogen power procurement market. In this market, the government incentivizes private generation companies (Gencos) to invest in hydrogen-based power generation by purchasing electricity through competitive bidding and offering long-term stable revenue. We derive an efficient procurement auction mechanism under information asymmetry, enabling the buyer to evaluate both price and non-price attributes of sellers. Accordingly, we characterize sellers' equilibrium bidding strategies, establishing the existence of weakly dominant strategies in this multi-attribute environment.

Finally, building on the procurement auction mechanism, we extend the model to account for market uncertainty by interpreting awarded contracts as real options. In this framework, bidders face uncertain future generation costs and are granted the option to abandon the contract with a penalty. We develop a modified multi-attribute auction mechanism that incorporates this managerial flexibility and allows bidders to submit non-price attributes contingent on future cost realizations. By integrating auction theory with real options analysis, we characterize the equilibrium bidding strategies in this setting. Our approach enables the derivation of equilibrium bidding strategies under both information asymmetry and cost uncertainty, highlighting the strategic value of flexibility.

Overall, the dissertation contributes to both the theory and practice of market design by addressing both structural complexities and informational asymmetries in emerging low-carbon energy markets. It offers new insights for policymakers aiming to develop efficient and adaptive market-based incentive mechanisms that support long-term goals of decarbonization and energy transition. Moreover, this work provides valuable tools for industry practitioners seeking to make optimal investment decisions in auction markets under uncertainty.

국문 초록 (Abstract)

전 세계적인 저탄소 에너지 체제로의 전환은 시급한 과제로 부상하고 있으며, 이에 따라 주요 국가들은 탈탄소화를 가속화하기 위한 다양한 지원 정책을 시행하고 있다. 그러나 저탄소 에너지 시장의 구조적 특성이 진화함에 따라 기존의 정책 메커니즘은 근본적인 한계에 직면하고 있다. 특히, 다양한 신에너지원의 등장, 참여 주체의 분산화, 발전 비용의 불확실성 증대는 에너지 시장 내 정보 비대칭성과 시장 불확실성을 심화시키고 있다. 더불어, 이러한 시장에는 다른 참여자의 행동이나 사적 정보를 고려하여 자신의 이익을 극대화하려는 전략적 행위자들이 존재한다. 이러한 상황에서 정보 비대칭성과 시장 불확실성의 존재는 행위자들로 하여금 더 나은 이익을 위해 전략적인 행동을 하도록 유발하므로 효율적인 시장 결과에서 상당한 이탈을 발생시킬 수 있다. 따라서 자원이 경쟁 기반의 시장 메커니즘을 통해 배분되는 환경에서 정보 비대칭성과 구조적 복잡성을 명시적으로 반영할 수 있는 효율적인 시장 설계의 필요성이 더욱 커지고 있다.

이에, 본 연구에서는 메커니즘 디자인 이론에 기반한 새로운 시장 설계 방안을 제안한다. 메커니즘 디자인 이론을 통해 에너지 시장 내 행위자들의 전략들을 고려하여 시장 설계자가 원하는 방향으로 균형을 유도할 수 있다. 특히, 본 연구는 두 가지 대표적인 저탄소 에너지 부문인 개인간(peer-to-peer; P2P) 전력거래 플랫폼과 청정 수소 발전 전력 조달 시장을 대상으로 한다. 이 두 시장은 서로 다른 특성을 지닌다. P2P 전력거래 시장은 분산형 구조와 양자 간 거래 특성을 가지며, 수소 전력 조달 시장은 발전 비용의 높은 불확실성과 기술 미성숙이라는 특징을 갖는다.

본 연구에서는 먼저 P2P 에너지 거래를 위한 이중 경매(double auction) 메커니즘을 설계한다. P2P 거래는 에너지 프로슈머들이 잉여 전력을 중앙집중형 전력망을 우회하여 직접 거래할 수 있게 하며, 이를 통해 더 높은 경제적 이익을 가능하게 한다. 본 메커니즘은 거래 상대에 따라 달라지는 전력 손실 및 거래 비용을 명시적으로 반영하며, 효율적으로 구매자-판매자 매칭, 거래 물량의 할당, 거래 가격을 결정하는 것을 목표로 한다. 또한, 직접 메커니즘(direct mechanism)이 요구하는 유인 적합성, 개별 합리성, 예산 균형, 점근적 효율성과 같은 주요 특성들을 만족함을 보인다. 따라서, 본 모형을 통해 분산형 시장 환경에서의 효율적이고 공정한 자원 배분 방안을 제시한다.

다음으로, 본 연구는 한국의 수소 발전 전력 조달 시장을 대상으로 다중 속성(multi-attribute) 조달 경매 메커니즘을 설계한다. 이 시장에서 정부는 민간 발전사(Gencos)가 수소 기반 발전에 투자하도록 유도하기 위해 경쟁 입찰을 통해 전력을 구매하고 장기적인 수익을 보장한다. 본 연구는 정보 비대칭이 존재하는 환경에서 구매자가 발전사들의 가격 및 비가격 속성을 종합적으로 평가할 수 있도록 하는 효율적인 조달 경매 메커니즘을 제시한다. 본 메커니즘은 평가 규칙(scoring rule), 할당 규칙, 지불 규칙으로 구성되며, 다중 속성 환경에서의 약한 우월전략(weakly dominant strategy) 존재를 보장하는 균형 입찰 전략을 도출한다.

마지막으로, 개발한 다중 속성 조달 경매 메커니즘을 확장하여 낙찰된 계약을 실물 옵션(real option)으로 고려하며, 시장 불확실성을 반영하는 메커니즘을 제시한다. 본 모형에서 입찰자는 미래의 발전비용이 불확실한 상황에서 계약을 수락할지 혹은 페널티를 지불하고 포기할지 선택할 수 있는 선택권을 갖는다. 이에 따라, 본 연구는 향후 비용 실현에 따라 비가격 속성을 조건부로 제출할 수 있는 새로운 다중 속성 경매 메커니즘을 설계한다. 또한, 경매 이론과 실물 옵션 분석을 결합함으로써 정보 비대칭성과 비용 불확실성이 공존하는 환경에서의 균형 입찰 전략을 이론적으로 도출하고, 약한 우월전략의 존재를 증명한다. 이를 통해 본 연구는 입찰자가 갖는 유연성가치가 전략적 의사결정에 미치는 영향을 설명한다.

종합적으로, 본 논문은 저탄소 에너지 시장에서 발생하는 구조적 복잡성과 정보 비대칭 문제를 동시에 해결하며, 이론적·실무적 측면 모두에서 효율적 시장 설계에 기여한다. 탈탄소화 및 에너지 전환의 장기적 목표를 지원하는 동시에, 정책결정자들이 효율적이고 적응 가능한 시장 기반 인센티브 메커니즘을 설계하는 데 실질적인 시사점을 제공한다. 또한, 본 연구는 불확실한 시장 환경에서 기업과 산업 주체들이 최적의 입찰 및 투자 의사결정을 내릴 수 있도록 돕는 유용한 분석 도구를 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents iv
• List of Tables ix
• List of Figures xi
• Chapter 1 Introduction 1
• 1.1 Motivation of the dissertation 1
• 1.2 Objectives of the dissertation 6
• 1.3 Organization of the dissertation 9
• Chapter 2 Literature review 11
• 2.1 Energy market design 11
• 2.1.1 Mechanism design applications in energy markets 11
• 2.1.2 Auction mechanism design for P2P energy trading markets 12
• 2.2 Multi-attribute auction design and its applications 13
• 2.2.1 Foundations of multi-attribute auctions 13
• 2.2.2 Multi-unit multi-attribute auctions 14
• 2.3 Strategic bidding under uncertainty: Real options meets auction theory 15
• v2.3.1 Real options in energy sector investment 15
• 2.3.2 Auctions for real options 16
• Chapter 3 Double auction design considering information asymmetry: Application to peer-to-peer energy trading 19
• 3.1 Introduction 19
• 3.2 Model 22
• 3.2.1 Auction environment 22
• 3.2.2 MTR and VCG mechanisms 25
• 3.2.3 MTR-VCG Double Auction (MVDA) mechanism considering power losses and transaction costs 26
• 3.3 Numerical experiment 33
• 3.3.1 Experiment parameters 33
• 3.3.2 Results and implications 35
• 3.4 Concluding remarks 41
• Chapter 4 Multi-attribute auction design considering information asymmetry: Application to hydrogen power procurement 43
• 4.1 Introduction 43
• 4.2 Model 47
• 4.2.1 Auction environment 47
• 4.2.2 Procurement mechanism 49
• 4.3 Multi-attribute procurement auction 52
• 4.3.1 Vickrey-score sealed-bid auction rule 53
• 4.3.2 Equilibrium analysis 55
• vi4.4 Numerical experiment 59
• 4.4.1 Experiment parameters 60
• 4.4.2 Results and implications 62
• 4.5 Concluding remarks 69
• Chapter 5 Multi-attribute auction design considering market uncertainty: Application to hydrogen power procurement with real option 71
• 5.1 Introduction 71
• 5.2 Model 76
• 5.2.1 Auction environment 76
• 5.2.2 Procurement mechanism 80
• 5.3 Multi-attribute procurement auction for real options 85
• 5.3.1 Modified Vickrey-score sealed-bid auction rule 85
• 5.3.2 Equilibrium analysis 86
• 5.4 Numerical experiment 90
• 5.4.1 Experiment parameters 90
• 5.4.2 Results and implications 92
• 5.5 Concluding remarks 97
• Chapter 6 Conclusion and future direction 101
• 6.1 Summary and contributions 101
• 6.2 Future research directions 104
• Bibliography 107
• viiAppendix A Appendix 115
• 국문초록 13