Modeling and analyzing demand response scenarios in the context of the SGAM framework

Abstract

Demand Response is a strategy to address imbalances between power generation and consumption in energy systems. This is achieved by offering incentives for adjusting energy demand based on the current state of the power grid. The consumer-centric approach gives the end-user the freedom to participate in programs or make load decisions. Originally conceived and extensively studied within the electricity sector, it can also be applied to other energy domains or cross-sector scenarios. The integration of renewable energy resources, together with an evolving consumption landscape, positions Demand Response as a cornerstone of the energy transition. To provide an overview of its diversity and multitude of aspects, a structured approach is essential. This work introduces a novel structural model to holistically address key aspects of Demand Response. It further explores the organization of these aspects within the Smart Grid Architecture Model (SGAM), a widely recognized structural framework in smart grids. The SGAM employs a multi-layered methodology that encompasses the technical, logical, and business perspectives of smart grids. This work contends that the SGAM framework lacks a sufficient societal and human dimension in its approach to Demand Response. The adoption of Demand Response is frequently driven by societal objectives rather than solely by business interests. Furthermore, modeling consumers based only on business aspects is insufficient for capturing the complexity of human behavior in private contexts, particularly in residential energy demand. This necessitates insights from psychological and social disciplines. The central role of human factors in Demand Response is addressed through the introduction of a new layer in the SGAM framework, termed the Society Layer. SGAM-S, the enhanced SGAM model incorporating this new layer, provides a comprehensive perspective on use cases, standards, and other critical aspects of Demand Response. Demand Response ist eine Methode, um Energieverbrauch und -erzeugung im Gleichgewicht zu halten. Dafür wird eine Reaktion des Verbrauchs oder ein Eingriff in diesen im Sinne des Netzzustands motiviert. Der verbraucherzentrierte Ansatz lässt dem Endnutzer Freiheiten bei der Entscheidung bei der Teilnahme im Programm oder der finalen Lastverteilung. Das Konzept wurde ursprünglich für den Stromsektor entwickelt und ist dort gut erforscht, kann aber auch in anderen Energiesektoren oder bei energieübergreifenden Anwendungen eingesetzt werden. Die Nutzung erneuerbarer Energiequellen bei gleichzeitig veränderter Verbraucherlandschaft macht Demand Response zu einem Schlüsselelement der Energiewende. Die Vielseitigkeit und die große Anzahl von Aspekten erfordern einen strukturierten Ansatz für eine reduzierte Übersicht. In dieser Arbeit wird ein neues grafisches Modell vorgestellt, um wichtige Aspekte von Demand Response aus einer ganzheitlichen Sichtweise heraus zu visualisieren. Darüber hinaus wird die Strukturierung dieser Aspekte im Smart Grid Architecture Model (SGAM) untersucht, einem weit verbreiteten Framework zur Modellierung von Smart Grids. SGAM verfolgt einen mehrschichtigen Ansatz, der die technischen, logischen und geschäftlichen Aspekte von Smart Grids berücksichtigt. In dieser Arbeit wird argumentiert, dass der SGAM-Rahmenwerk eine gesellschaftliche und menschliche Perspektive auf Demand Response vermissen lässt. Der Einsatz von Demand Response wird immer wieder von gesellschaftlichen Zielen und nicht nur von Geschäftsinteressen angetrieben. Darüber hinaus wird das menschliche Verhalten im privaten Kontext durch geschäftsorientierte Modelle nur unzureichend erklärt, was insbesondere im Energiebedarf der Haushalte zu beobachten ist. Dies erfordert psychologische und soziale Expertise. Die zentrale Rolle menschlicher Faktoren bei Demand Response wird durch eine neue Schicht im SGAM-Rahmenwerk adressiert, der sogenannten „Society Layer“ (Gesellschaftsschicht). SGAM-S, das SGAM-Modell mit der neuen Schicht, bietet eine ganzheitliche Sicht auf Anwendungsfälle, Standards und andere Aspekte von Demand Response.