towards sustainability-driven innovation through product-service …835381/... · 2015-06-30 ·...

148
Blekinge Institute of Technology Licentiate Dissertation Series No. 2010:08 School of Engineering TOWARDS SUSTAINABILITY-DRIVEN INNOVATION THROUGH PRODUCT- SERVICE SYSTEMS Anthony W. Thompson

Upload: others

Post on 22-May-2020

3 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Anthony W

. Thom

pson2010:08

Increasing awareness of anthropogenic im-pacts on the planet has lead to efforts to re-duce negative environmental impacts in product development for several decades. Benefits to companies who focus on sustainability initiatives have been put forth more recently, leading to many efforts to incorporate sustainability consi-derations in their product innovation processes.

The majority of current sustainability consi-derations in industry constrain design space by emphasizing reduced material and energy flows across the product’s life cycle. However, there is also an opportunity to use awareness of sus-tainability to bring attention to new facets of design space and to drive innovation. Specifically there is an opportunity for product-service sys-tems (PSS) to be a vehicle through which sustai-nability-driven innovation occurs.

A framework for strategic sustainable deve-lopment (FSSD) provides the basis for under-standing sustainability in this work, and provides clarity with regard to how to think about sus-tainable products and service innovations. The “backcasting” approach included in this frame-work also provides insight into how incremental and radical approaches could be aligned within the product innovation working environment.

This thesis explores how sustainability con-siderations can be better integrated into exis-ting product innovation working environments

in order to drive innovation processes within firms, with a specific emphasis on opportunities that occur as sustainability knowledge leads to innovation through a product-service system approach. It endeavors to contribute to both theory development within the emerging sus-tainable PSS design research area, and also to advance the state of practice within industry by connecting dots between the state of theory and the state of practice.

Society’s opportunity to become more sus-tainable and industry’s desire for innovation in order to lead to or increase profitability are often in conflict. However, this thesis argues that knowledge of global social and ecological sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win oppor-tunities that can often be achieved through a PSS approach. There is some, but not sufficient, support for the inclusion of sustainability con-siderations in the product innovation process, and even fewer tools to support the use of sustainability to drive innovation. In response, an approach to providing support that brings together the FSSD and various approaches to systems modeling and simulation is presented. Opportunities to use sustainability-friendly att-ributes of existing products through a PSS-ap-proach are also presented.

ABSTRACT

ISSN 1650-2140

ISBN: 978-91-7295-188-4 2010:08

Blekinge Institute of TechnologyLicentiate Dissertation Series No. 2010:08

School of Engineering

TowARdS SuSTAinABiliTy-dRiven innovATion ThRough PRoduCT-SeRviCe SySTemS

Anthony W. Thompson

To

wA

Rd

S S

uS

TA

inA

Bil

iTy-d

Riv

en

in

no

vA

Tio

n T

hR

ou

gh

PR

od

uC

T-Se

Rv

iCe

Sy

ST

em

S

Page 2: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Towards Sustainability-driven Innovation

through Product-Service Systems

Anthony W. Thompson

Page 3: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win
Page 4: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Towards Sustainability-driven Innovation

through Product-Service Systems

Anthony W. Thompson

Blekinge Institute of Technology Licentiate Dissertation SeriesNo 2010:08

Department of Mechanical EngineeringSchool of Engineering

Blekinge Institute of TechnologySWEDEN

Page 5: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

© 2010 Anthony W. ThompsonDepartment of Mechanical EngineeringSchool of EngineeringPublisher: Blekinge Institute of TechnologyPrinted by Printfabriken, Karlskrona, Sweden 2010ISBN: 978-91-7295-188-4 Blekinge Institute of Technology Licentiate Dissertation SeriesISSN 1650-2140urn:nbn:se:bth-00473

Page 6: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

 

iii 

Acknowledgements This work has been carried out at the Department of Mechanical Engineering, School  of  Engineering,  Blekinge  Institute  of  Technology  (BTH),  in  Karlskrona, Sweden,  under  the  supervision  of  Professors Göran  Broman  and  Karl‐Henrik Robèrt.  Thank  you,  Göran  and  Kalle,  for  your  vision,  hard  work,  and determination  that  are  simultaneously  daunting  and  deeply  inspirational.  I would  also  like  to  express  my  appreciation  to  Prof.  Tobias  Larsson  for  his support and guidance in this work. 

Projects related to this work have been  in collaboration between BTH and the following  companies:  Auralight,  Dynapac,  Roxtec,  Stena  Metall,  Tetra  Pak, Volvo Aero, and Volvo 3P – a big thanks to the people  in each of these places who  has  contributed with  their  time  and  expertise  to  this  research.  Project funding has been provided by the Swedish Agency for Economic and Regional Growth  (Tillväxtverket),  the  Swedish  Energy  Agency,  the  Swedish Environmental  Protection  Agency,  the  Swedish  Governmental  Agency  for Innovation Systems (VINNOVA), the Swedish Knowledge Foundation (KKS), the Swedish  Research  Council  for  Environment,  Agricultural  Sciences  and  Spatial Planning (FORMAS), and the Faculty Board of BTH. 

Much gratitude and many thanks are also due to colleagues in the Department of  Mechancial  Engineering.  Dr.  Sophie  Hallstedt  and  Dr.  Henrik  Ny:  your trailblazing in the area of sustainable product innovation at BTH has provided a solid  foundation  for  me  as  an  incoming  PhD  student.  Pia  Lindahl,  Merlina Missimer, Cecilia Bratt and Cesar Levy Franca: as my PhD student peers  I can only  hope  that  the  lessons  learned  and  ideas  explored  together  have  been mutually beneficial; certainly they have contributed to my ability to write this. 

To  the  rest of  the  “Sustainability  Team” present  and past  –  Tamara Connell, Brendan Moore, Treva Wetherell, Zaida Barcena, Marco Valente, Pong Leung, Richard Blume, Kristoffer Lundholm, and many more: though our work together is  focused on education more than research, the  inspiration you share carries through – thanks! To the MSLS students over the years, thanks for your energy, ideas, and desire to leave the world a little better than when you found it. 

To  family and  friends near and  far: your  thoughts, notes, and visits have kept me going; the experiences we have shared have shown me how wisdom comes from the having known and the having lost, while joy comes from the discovery and the exploration. 

Page 7: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

 

iv 

(This page intentionally left blank).    

Page 8: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

 

Abstract Increasing  awareness  of  anthropogenic  impacts  on  the  planet  has  lead  to efforts to reduce negative environmental  impacts  in product development  for several decades. Benefits  to companies who  focus on  sustainability  initiatives have  been  put  forth more  recently,  leading  to many  efforts  to  incorporate sustainability considerations in their product innovation processes. 

The  majority  of  current  sustainability  considerations  in  industry  constrain design  space  by  emphasizing  reduced material  and  energy  flows  across  the product’s life cycle. However, there is also an opportunity to use awareness of sustainability  to  bring  attention  to  new  facets  of  design  space  and  to  drive innovation.  Specifically  there  is  an  opportunity  for  product‐service  systems (PSS) to be a vehicle through which sustainability‐driven innovation occurs. 

A  framework  for  strategic  sustainable development  (FSSD) provides  the basis for understanding sustainability in this work, and provides clarity with regard to how  to  think  about  sustainable  products  and  service  innovations.  The “backcasting”  approach  included  in  this  framework  also provides  insight  into how  incremental and  radical approaches could be aligned within  the product innovation working environment. 

This thesis explores how sustainability considerations can be better  integrated into  existing  product  innovation  working  environments  in  order  to  drive innovation  processes within  firms, with  a  specific  emphasis  on  opportunities that occur as sustainability knowledge  leads  to  innovation  through a product‐service  system  approach.  It  endeavors  to  contribute  to  both  theory development within  the  emerging  sustainable  PSS  design  research  area,  and also  to  advance  the  state  of  practice  within  industry  by  connecting  dots between the state of theory and the state of practice. 

Society’s  opportunity  to  become more  sustainable  and  industry’s  desire  for innovation  in  order  to  lead  to  or  increase  profitability  are  often  in  conflict. However,  this  thesis  argues  that  knowledge  of  global  social  and  ecological sustainability  can  be  used  to  drive  innovation  processes,  and  that  there  are win‐win  opportunities  that  can  often  be  achieved  through  a  PSS  approach. There  is  some,  but  not  sufficient,  support  for  the  inclusion  of  sustainability considerations  in  the  product  innovation  process,  and  even  fewer  tools  to support the use of sustainability to drive  innovation. In response, an approach to providing support that brings together the FSSD and various approaches to systems  modeling  and  simulation  is  presented.  Opportunities  to  use sustainability‐friendly  attributes  of  existing  products  through  a  PSS‐approach are also presented. 

Page 9: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

 

vi 

Keywords Sustainable  product  innovation,  sustainable  product  development,  strategic sustainable  development,  ecodesign,  product‐service  systems  (PSS),  decision support tools, life cycle management 

Page 10: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

vii 

Thesis Disposition This thesis  includes an  introduction and the following four papers, which have been slightly reformatted from their original publication. Their content, though, is unchanged. 

 

Paper A Ny,  H.,  A. W.  Thompson,  P.  Lindahl,  G.  Broman,  O.  Isaksson,  R.  Carlson,  T. Larsson  and  K.‐H.  Robert  (2008).  Introducing  Strategic  Decision  Support Systems  for  Sustainable  Product‐Service  Innovation  Across  Value  Chains. Sustainable  Innovation  08:  Future  products,  technologies  and  industries.  The Centre for Sustainable Design. Malmö, Sweden.  

 

Paper B Thompson, A. W., P. Lindahl, S. Hallstedt, H. Ny and G. Broman (2011). Decision Support Tools for Sustainable Product Innovation in a few Swedish Companies. 3rd  International  Conference  on  Research  into  Design  (ICoRD).  Centre  for Product Design and Manufacturing. Bangalore, India. 

 

Paper C Ny, H., A. W. Thompson, K.‐H. Robèrt, G. Broman, H. Haraldsson, D. Koca and H. Sverdrup.  Success within  Sustainability Constraints  through  Strategic  Systems Modeling  and  Simulation:  The  Case  of  Waterjet  Cutting. Submitted  for publication.

 

Paper D Thompson,  A. W.,  H.  Ny,  P.  Lindahl,  G.  Broman  and M.  Severinsson  (2010). Benefits of a Product Service System Approach for Long‐life Products: The Case of Light Tubes. 2nd CIRP  International Conference on  Industrial Product‐Service System  (IPS2).  The  International  Academy  for  Product  Engineering  (CIRP). Linköping, Sweden. 

Page 11: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

 

viii 

Acronyms B2B  Business to Business B2C  Business to Consumer CAD  Computer Aided Design CLD  Causal Loop Diagram DfE  Design for Environment DRM  Design Research Methodology DSS  Decision Support Systems EIA  Environmental Impact Assessment EMS  Environmental Management System FCA  Full Cost Accounting FPD  Functional Product Development FSSD  Framework for Strategic Sustainable Development IPCC  Intergovernmental Panel on Climate Change LCA  Life Cycle Assessment LCC  Life Cycle Costing LED  Light Emitting Diode MSPD  Method for Sustainable Product Development PSS  Product‐Service System REACH  Registration, Evaluation, Authorisation and restriction of CHemicals SDSS  Strategic Decision Support System SLCM  Strategic Life Cycle Management SMS  Systems Modeling and Simulation SPI  Sustainable Product Innovation SSD  Strategic Sustainable Development TCA  Total Cost Accounting TSPD  Templates for Sustainable Product Development  

Page 12: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

 

ix 

Table of Contents 1.  Introduction ........................................................................................... 1 1.1.  Background / Context ........................................................................... 1 1.2.  Aim ....................................................................................................... 2 1.2.1.  Goal ............................................................................................... 2 1.2.2.  Research Question ........................................................................ 2 1.2.3.  Scope ............................................................................................. 2 

1.3.  Research Methodology ........................................................................ 2 1.3.1.  Science and Knowledge ................................................................. 3 1.3.2.  Research Approach ........................................................................ 3 1.3.3.  Research Methods ......................................................................... 5 1.3.4.  Design Research as a “Wicked Problem” ...................................... 6 

1.4.  Reader’s Guide ..................................................................................... 6 2.  Knowledge Domains ............................................................................... 8 2.1.  Sustainability ........................................................................................ 8 2.1.1.  A Framework for Strategic Sustainable Development (FSSD) ....... 8 

2.2.  Product Innovation ............................................................................. 11 2.2.1.  Types of Innovations ................................................................... 12 2.2.2.  Modeling Innovation Processes .................................................. 14 

2.3.  Product‐Service Systems .................................................................... 17 2.4.  Sustainable Product Innovation ......................................................... 20 

3.  Summary of Appended Papers .............................................................. 21 3.1.  Paper A ............................................................................................... 21 3.2.  Paper B ............................................................................................... 23 3.3.  Paper C ............................................................................................... 24 3.4.  Paper D ............................................................................................... 26 

4.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems ........................................................................................................ 28 4.1.  Observations on Sustainability in Swedish Product Innovation ......... 28 4.1.1.  Motivations for Including Sustainability ...................................... 28 4.1.2.  Ways of Including Sustainability .................................................. 28 4.1.3.  Justification for Including Sustainability ...................................... 29 4.1.4.  Summary of Observations ........................................................... 29 

4.2.  Sustainability as Driver of Innovation ................................................ 30 4.2.1.  The Case for Sustainability as Driver ........................................... 30 4.2.2.  Making Sustainability the Driver ................................................. 31 

5.  Contributions ........................................................................................ 35 5.1.1.  To the Research Field .................................................................. 35 5.1.2.  To the Research Group at BTH .................................................... 35 5.1.3.  To Industry ................................................................................... 35 

6.  Conclusion ............................................................................................ 36 

Page 13: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

 

7.  Future Work ......................................................................................... 36 8.  References ............................................................................................ 37 Paper A ........................................................................................................ 43 Paper B ........................................................................................................ 57 Paper C......................................................................................................... 73 Paper D ...................................................................................................... 115 

 

Page 14: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

1. Introduction 

1. Introduction This  section  first  presents  a  background  of  the  sustainability  and  product innovation  issues  that  justify  this  research. Then  the actual  research gap  that this research targets is identified, followed by the aim and methodology of this research. A more in‐depth review of the literature in these areas is presented in Chapter 2. 

1.1. Background / Context People  who  work  with  product  innovation  –  both  product  designers  and business managers – have existed  in the dominant mental paradigm that puts short‐term profit forward as the primary goal. These people, and the paradigms they  exist  within,  are  also  quickly  awakening  to  the  need  to more  directly include both environmental and social issues in their daily decisions (Porter and Van Der  Linde 1995; Pujari et  al. 2003). This  is happening  for many  reasons: customer  demand,  an  expanding  regulatory  environment,  global  resource constraints, and perceived opportunities for cost savings to name just a few. 

One  reason product developers and engineers have  left  sustainability outside of their focus is that there is general confusion in the world around the topic of sustainability (Johnston et al. 2007). There is general agreement in the scientific community  that  things  need  to  change  (Millenium  Ecosystem  Assessment 2005),  and  this  is  often  discussed  under  the  term  “sustainability.” However, there  is a  lack of clarity or consensus as  to exactly what  sustainability means (Glavic and Lukman 2007). With regard to sustainability, this thesis work builds upon  the  foundation  that  has  been  put  forth  over  the  past  20  years  of  a framework  for  strategic  sustainable development  (FSSD), described  in  section 2.1. This FSSD provides an operational definition of sustainability and initial set of strategic guidelines that can be used to provide guidance to decision‐makers, e.g. people working with product innovation. 

With  regard  to products,  there  are  two obvious  things  that  can be  changed. First,  the physical artefacts  themselves can be changed, and  second,  the way that products are managed (including how they are used) over their  life cycles can be changed. For the former, more efficiency can be pursued, e.g. material reduction and energy optimization. These are generally good, though alone are not  sufficient  from  a  sustainability  perspective.  They  also  risk  leading  to  the “rebound effect,” which  is the  idea that  improvements on a per‐unit basis can lead to greater overall impacts due to increased volume that is enabled by e.g. reduced  cost  that  stems  from  the  improved  efficiency,  see  e.g.  (Binswanger 2001; Robèrt et al. 2000). While product innovation has traditionally focused on the former with occasional glances toward the latter (Isaksson et al. 2009), the movement in industry is toward the design of products and services together – 

Page 15: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

often  referred  to  as  product‐service  systems  (PSS)  –  and  presents  an opportunity  for  these  two  opportunities  to  be  considered  and  improved  in tandem (Isaksson et al. 2009; Maxwell et al. 2006; Mont 2002). 

1.2. Aim This  section  presents  the  overall  goal  of  this  research,  introduces  an overarching research question, and sets the scope of this work. 

1.2.1. Goal The  overarching  goal  of  this  research  is  to  contribute  to  sustainable development of  society.  In order  to do  that,  it  sets out  to  contribute  to  the body of knowledge by creating a better understanding of the possibilities and limitations  for  sustainability  considerations  to  drive  innovation  through product‐service  systems.  With  that  additional  understanding,  it  aims  to contribute  to  the  state  of  practice  by  exploring  how  to  better  support  the development  and  implementation  of  product‐service  systems  that  are (economically and other‐wise) attractive to business while at the same time are supportive of global society moving  toward socio‐ecological sustainability and increasing  value  to  users  of  the  PSS.  This  work  explores  the  intersection between  sustainability and  innovation,  specifically with  the opportunity  for  a product‐service system (PSS) approach to be a critical vehicle for sustainability‐driven  innovation  while  also  supporting  global  society’s  movement  toward sustainability. 

1.2.2. Research Question The collection of papers and articles included in this thesis each have their own specific  research  questions;  these  are  summarized  in  Chapter  3.  They  all endeavor to contribute to answering the following overarching question: 

How can sustainability considerations be better integrated into existing product innovation  working  environments,  especially  with  regards  to  pursuing  a product‐service system approach? 

1.2.3. Scope This work  explores  the  intersection  of  several  research  areas,  and  strives  to both  look  forward  to  opportunities  while  also  reflecting  critically  upon  the assumptions  that  are made within  each  area.  This work  does  not  intend  to demonstrate  expertise  in  all  of  these  areas;  but  rather  to  demonstrate sufficient  understanding  in  each  context  in  order  to  demonstrate  expertise where these areas intersect. 

1.3. Research Methodology The  section  presents  the  research methodology,  i.e.  brief  thoughts  on  why research is important and how this research topic has been advanced. 

Page 16: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

1. Introduction 

1.3.1. Science and Knowledge “Science” generally refers to a systematic approach to acquiring knowledge, i.e. the  “scientific  method”  with  its  steps  to  observe,  hypothesize,  predict, experiment, and reflect. 

“Knowledge”  is a difficult term to define;  it relates to collecting facts, often  in the  form  of  observations  and  experiences  that  contribute  to  our  collective understanding  of  us  and  the world  of which we  are  part.  This  collection  of knowledge can be referred to as the “body of knowledge” – everything that we think we  know  to be  true  that has been obtained  and modified  and  verified through science throughout human history. 

“Research” is done by scientists to expand the collective body of knowledge; to continue the exploration of the world that is around us and includes us. We do research because we are curious; we wish to explore the unknown; we dare to attempt to understand the world around us. 

1.3.2. Research Approach The initial design of this research began with a conceptual base in the approach to  qualitative  research  design  articulated  by  Maxwell  (2005)  and  shown  in Figure 1. As  this  thesis has gravitated  towards  the  field of design  research,  it has been found helpful to adapt the Design Research Methodology (DRM) put forth  by  Blessing  and  Chakrabarti  (2009)  shown  in  Figure  2,  that  provides  a more specific approach to research of this type. Following are brief descriptions of both. 

Qualitative Research Design Maxwell suggests the following key aspects of research design: 

1. Goals: Why  is this study worth doing, what  issues do  I want to clarify, what practices  / policies do  I want  to  influence, why do  I want  to do this study, and why would anyone care about the results? 

2. Conceptual  framework: What  do  I  think  is  going  on? What  theories, beliefs, and prior  research will guide/inform  this  research? How will  I understand the people or issues I am studying? 

3. Research  Questions:  What  specifically  do  I  want  to  understand  by doing  this  study? What do  I not  know about  the  thing  I am  studying that I want to learn? What questions will my research answer, and how are these questions related? 

4. Methods: What will I actually do in conducting this study? 5. Validity: How might my results and conclusions be wrong? 

 

Page 17: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

 Figure 1: Maxwell's model for qualitative research design. Recreated from (Maxwell 2005). 

Design Research Methodology This  work,  remembering  the  two  goals  from  1.2.1,  has  largely  been  about understanding  and  some  about  providing  support,  as  shown  as  “Main Outcomes” in Figure 2. This is described in more detail in Chapter 3, where the contributions from each paper are presented. 

 

Page 18: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

1. Introduction 

Figure  2:  Design  Research  Methodology  (DRM).  Recreated  from  (Blessing  and Chakrabarti 2009). 

Maxwell’s  model  provides  a  foundation  for  research  in  this  thesis  more generally, while  Blessing  and  Chakrabarti  provide  a  framework  that  is more directly applicable to the research in this project. 

1.3.3. Research Methods The following methods and techniques have been used: 

• A broad survey of literature has provided an opportunity to explore the related topics and specifically focus on the intersection between these key topics, in order to better understand the past and present thinking within the research field. The results of this are presented primarily  in Chapter  2,  and  also  serve  as  a  foundation  through  each  of  the appended papers. 

• Interviews  and  interaction  with  people  working  within  the  area  of product  innovation were conducted  in order to better understand and describe  the  state  of  practice  in  industry.  These  provide  general background  support  for  ideas  and  arguments presented  in Chapter 4 and paper A, and they are central to the research presented  in papers B, C, and D. 

• Participation  in and facilitation of workshops with development teams with  companies  involved  in  the  research  project.  These  workshops 

Page 19: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

were  intended  to aid  them  in  including  sustainability  in  their  thinking around product innovation, specifically using methods/tools previously developed  by  BTH.  These workshops were  conducted with  Dynapac, Roxtec, and AuraLight. 

These methods  are  in  line with  the  first  three  stages  of  the  design  research methodology  (DRM)  described  by  Blessing  and  Chakrabarti  as  illustrated  in Figure 2. 

1.3.4. Design Research as a “Wicked Problem” Central to the approach taken in this thesis is the realization that research into design  processes  is  not  something  that  can  be  re‐created  or  tested  with  a control  group.  This  is  an  important  distinction  from  traditional  research.  In practical research terms, every design project is unique because of a unique set of needs in an ever‐changing global context being addressed by a single design group. Furthermore,  there  is no “correct” or even “best” solution, as  this will change from user to user or context to context. This is the essence of the idea of  “wicked  problems”  introduced  by  Rittel  and  Webber  (1973)  relating  to planning with regard to social problems, where they write about how they see “social processes as the links tying open systems into large and interconnected networks of systems… it has become less apparent where problem centers lie, and less apparent where and how we should intervene even if we do happen to know what aims we seek”  (Rittel and Webber 1973). 

In  his  PhD  dissertation,  Andreas  Larsson  discusses  the  topic  of  “design  as wicked problem” nicely, and summarizes with a clarifying example: “Developing a ‘passenger‐friendly’ airplane is a wicked problem, while calculating stresses in the fuselage is a tame problem, though time‐consuming, difficult, and not at all trivial”  (Larsson 2005, p. 25). Understanding and supporting  the development and  implementation of product‐service  systems  is a  “wicked problem,” much like developing the ‘passenger‐friendly’ airplane: it is dependent upon a context that is always changing, and thus there is no “correct” answer. 

1.4. Reader’s Guide This document  intends as  its primary audience people working  in  the area of product innovation and those working to bring environmental and social issues into the product innovation process. It attempts to provide inspiration to bridge the  gap  between  product  innovation  that  is  common  in  practice  today  and product  innovation  that  is  informed,  and  even  driven  by,  a  global  socio‐ecological sustainability perspective. 

An  introductory  part  and  four  appended  papers  make  up  this  thesis.  The introductory part has six chapters with the contents outlined below. 

Page 20: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

1. Introduction 

Chapter 1  introduces  this work by  zooming  in  from  the broad background  to the scope of this research and introducing the research methodology. 

Chapter  2  introduces  the  knowledge  domains  related  to  this  research  by providing  relevant  information  with  related  domains  such  as  sustainability, product innovation, and product‐service systems. 

Chapter 3 summarizes the appended papers regarding contents, relation to the thesis and how the work was divided between the authors. 

Chapter  4  presents  the  found  research  opportunities  and  issues  from collaborating research project companies. 

Chapter 5 summarizes this work’s scientific and industrial contributions.  

Chapter 6 provides a concise conclusion of this work. 

Chapter 7 suggests future work that can build upon the work presented here. 

Use and discussion of modeling and simulation occurs throughout this thesis in different contexts. For example: section 2.2.2 presents a discussion of different ways of thinking about the product innovation process; Paper C is a case study based  of  an  approach  to  incorporating  sustainability  with  system  dynamics modeling;  Paper  D  uses  mental  models  to  represent  different  users’ perspective on value offered by a PSS. While there is not a concentrated focus on modeling and  simulation  in  this work,  it  is a  recurring  theme  that may be developed in the continuation of this research. 

Page 21: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

2. Knowledge Domains This  thesis  draws  upon  three  broad  topics:  (1)  sustainability,  (2)  product innovation, and (3) product‐service systems. This chapter presents briefly each of these three, as well as an additional area that is emerging as a combination of  those  three:  “Sustainable  Product  Innovation.”  This  final  section  briefly presents other work  related  to  this  field  to acknowledge  that  there are many others doing work that has a similar focus. 

2.1. Sustainability Human  society’s  awareness  of  our  collective  impact  on  the  planet  has  been growing  over  the  last  several  decades.  Published  in  1962,  Silent  Spring  is credited with raising awareness of environmental impacts from the dangers of certain  chemicals  (Carson  1962;  Downs  2004).  The  Limits  to  Growth  study published  in  1972  by  the  Club  of  Rome  is  often  referenced  as  a  significant awareness‐raising study  regarding  the possibility of  resource constraints  for a rapidly  expanding  human  population  (Meadows  et  al.  1972).  In  1987,  Our Common Future was published, providing this frequently cited statement about sustainable development: 

Humanity has the ability to make development sustainable –  to ensure that it meets the needs of the present without 

compromising the ability of future generations to  meet their own needs.” (Brundtland 1987) 

In recent decades, numerous reports, studies,  theses, articles and books have been published documenting  impacts  and opportunities,  for  example  species loss  (Millenium Ecosystem Assessment 2005), resource constraints  (Gordon et al.  2006),  anthropogenic  climate  change  (IPCC  2007),  and  the  business opportunities for those aware of sustainability issues (Willard 2002). 

The Brundtland definition of sustainable development puts  forth an attractive vision, but leaves a significant gap for the business need to be operational. This has  lead  to many attempts  to clarify  the concept of  sustainability; one which has been proven to be universally applicable is presented in 2.1.1. 

2.1.1. A Framework for Strategic Sustainable Development (FSSD) A  generic  five‐level  framework  and  the  framework  for  strategic  sustainable development (FSSD) are presented in Figure 3. This five‐level framework can be used  to  plan  in  any  complex  system. When  it  is  used  to  provide  guidance toward a sustainable human society (i.e. “human society within the ecosphere” is  at  the  system  level  –  level  1),  it  is  referred  to  here  as  the  framework  for strategic sustainable development. 

Page 22: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

2. Knowledge Domains 

 

Level  Generic 5‐Level Framework for 

Planning in Complex Systems 

Framework for Strategic Sustainable 

Development  (FSSD) 

1. System  The system that is relevant to the goal 

Society (within the biosphere) 

2. Success  The definition of success 

Compliance with sustainability principles 

3. Strategic Guidelines 

Guidelines used to select actions to move the system towards success 

Backcasting Return on Investment Flexible Platform 

Move toward success … 

4. Actions  Concrete actions that follow the strategic 

guidelines 

… 

5. Tools  Tools that support the process 

… 

Figure 3: Generic Five‐level Framework and FSSD. 

Three key aspects of the FSSD make it well‐suited for use in both strategic and operational contexts. 

Five‐level structure In  the  broader  sustainable  development  discussion  there  is  often  confusion between  “ends”  and  “means”  with  regard  to  the  desired  outcome  of sustainability  initiatives.  A  five‐level  framework  provides  five  clearly  distinct levels, suggesting  that  it  is  imperative  to  first agree upon  the system  (level 1) that is to be planned within, and only then to go on to define success (level 2) for that system; after defining success, then strategic guidelines (level 3) can be determined  for  the  selection and prioritization of actions  (level 4); all  four of these  levels can be  supported with  tools  (level 5)  (Robèrt 2000; Robèrt et al. 2002). 

This five‐level framework can be used to plan in any complex system. When it is used  to  provide  guidance  toward  a  sustainable  human  society  (i.e.  “human society within the biosphere”  is at the system  level –  level 1),  it  is referred to here as the framework for strategic sustainable development. 

Page 23: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

10 

Unique Definition of Success: Sustainability Principles Defining  the  term  “sustainability”  is  challenging.  Yet  without  knowing  what “sustainability”  is, how can anyone work toward  it? By first agreeing upon the system to be sustained, one can then go on to ask an opposite question: “How can we destroy  this system?”  If  that question  is answered  in a way such  that the results are statements that are: 

• General: applicable in any situation, • Concrete: usable without ambiguity, • Sufficient: cover all potential issues of un‐sustainability, and • Necessary: requirements  for sustainability,  i.e. not  just “nice  things  to 

have.” 

Then, by negating  those  resulting  statements  (adding  ‘not’  in  front of  them), one  arrives  at  a definition  for  the  sustainability of  human  society within  the biosphere. In this case: 

In a sustainable society, 

Nature is not subject to systematically increasing… 

1. …concentrations of substances extracted from the Earth’s crust, 2. …concentrations of substances produced by society, 3. …degradation by physical means 

and… 

4. …people are not subject  to conditions  that systematically undermine their capacity to meet their needs. (Broman et al. 2000; Holmberg 1995; Holmberg and Robèrt 2000; Ny et al. 2006) 

Backcasting One  challenging  aspect  with  many  current  approaches  to  sustainable development  is  that  the approaches use a way of  thinking about  time  that  is rooted  in  the  present.  Because  of  this,  current  (or  recent  years,  e.g.  2000) system states are used as  the point of  reference, and project or  forecast  into the  future  what  should  be  done.  For  example,  in  the  discussion  of  carbon emissions,  there  is  debate  regarding  by  what  percent  countries  should  be responsible for reducing their emissions, and central to this debate is agreeing upon  the baseline year against which  these  reductions  should be considered. Thus,  the  very  really  need  to  reduce  global  carbon  emissions  turns  into  a political battle field strewn with distractions about baseline years. 

Changing the perspective of time from one that exists primarily  in the present with  one  eye  toward  the  past  to  a  perspective  that  is  focused  equally  and primarily on the present and the desired future, with a cognizance of the past, 

Page 24: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

2. Knowledge Domains 

11 

could help society to disconnect from past trends  in order to get to a  level of carbon  in  the  atmosphere  that  is  “safe.”  Such  an  approach  is  known  as backcasting, where one puts oneself  in a desired future and  looks back to the present,  asking  the  question:  “How  did  we  get  where  we  wanted  to  go?” (Dreborg 1996; Holmberg and Robèrt 2000; Robinson 1990). 

When backcasting is combined with the unique definition of success (based on first‐order principles as described in the previous section, as opposed to various scenarios  that people may or may not agree with),  the  result  is  “backcasting from  sustainability  principles”  that  allows  for  strategic  decision‐making  that ensures  flexibility,  movement  toward  a  sustainable  future,  and  appropriate allocation of resources (Holmberg and Robèrt 2000). 

An  example:  “renewable  energy”  is  often  promoted  as  an  ultimate  solution (“success”)  to  society’s  demand  for  energy.  However,  renewable  sources  of energy could be obtained in a way that undermines other aspects necessary for the long‐term sustainability of society. Success, then, should not be only to “use renewable energy,” but rather to acquire and use energy in a way that does not contribute to the violation of basic sustainability principles. 

The  term  “sustainability”  in  this  thesis,  then,  refers  to global  socio‐ecological sustainability. This means that it does not, unless specifically stated, refer to the sustainability of some other (sub‐) system, e.g. a company. 

2.2. Product Innovation Innovation, generally,  refers  to new products, processes or  ideas  that are put into  use  in  the  world.  “Innovation”  differs  from  “invention”  which  is  the creation  of  those  new  products  or  processes,  in  that  innovation  implies inventions that are put into practice. Schumpeter lists five types of innovation: new products, new methods of production, new sources of supply, exploitation of  new markets,  and  new ways  to  organize  business  (Fagerberg  et  al.  2006, p.6).  Much of the literature is focused on better understanding the first two in that list, which are commonly referred to as “product innovation” and “process innovation,”  and  are  discussed  in more  detail  in  2.2.1.  Note  that  “product” sometimes  is used  in  reference  to  tangible artefacts and  is distinct  from e.g. services or software.  In other cases, “product”  is used more generally to refer to any combination of tangible artefacts, services, software, etc. that customers pay for. In this thesis, the term “product”  is  in  line with the ISO definition and refers to “what is sold” and thus not only the physical artefact: 

A product is an output that results from a process. Products can be tangible or  intangible, a  thing or an  idea, hardware or  software, information  or  knowledge,  a  process  or  procedure,  a  service  or 

Page 25: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

12 

function, or a concept or creation.  (International Organization  for Standardization ISO 9001:2000) 

Innovation  literature  frequently  comes  from  the  social  sciences  with  roots originating  with  e.g.  Schumpeter.  Innovation  references  also  originate  from within the field of engineering, e.g. Roozenburg and Eekels (1995) or Ulrich and Eppinger (2003). One related observation is presented by Kline and Rosenberg: 

Economists have, by and  large, analyzed  technological  innovation as a “black box” – a system containing unknown components and processes. They have attempted to  identify and measure the main inputs that enter that black box, and they have, with much greater difficulty, attempted to identify and measure the output emanating from that box. However, they have devoted very  little attention to what actually goes on  inside  the box;  they have  largely neglected the  highly  complex  process  through  which  certain  inputs  are transformed into certain outputs.  

Technologists,  on  the  other  hand,  have  been  largely  preoccupied with the technical processes that occur  inside that box. They have too often neglected, or even  ignored, both the market forces with which  the  product  must  operate  and  the  institutional  effects required  to  create  the  requisite adjustments  to  innovation.  (Kline and Rosenberg 1986) 

It is often challenging to arrive at a shared vocabulary between these different perspectives. Here literature is drawn from both social science and engineering perspectives. 

2.2.1. Types of Innovations Innovation  is a broad  topic, and as  such, many attempts have been made  to divide it up or to categorize aspects of innovation. This section introduces a few of  the  key  categories  of  innovation  that may  be  referred  to  throughout  this dissertation. 

Incremental and Radical One approach to classifying innovations with roots in Schumpeter’s work relate to  how  radical  an  innovation  is  relative  to  the  status  quo.  Continuous improvements  are  considered  to  be  “incremental”  innovations;  these  are  in contrast to “radical” innovations that result in significant changes. 

Product and Process Innovation “Product  innovation”  and  “process  innovation”  are  used  to  characterize  the occurrence of new or  improved goods and services, and  improvements  in  the ways to produce these goods and services, respectively” (Fagerberg et al. 2006, 

Page 26: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

2. Knowledge Domains 

13 

p. 7). Schumpeter defined ‘product innovation’ as “the introduction of a new a good… or a new quality of good” and ‘process innovation’ as “the introduction of  a  new method  of  production…  or  a  new  way  of  handling  a  commodity commercially” (Schumpeter (1934), as cited in Fagerberg et al. 2006, p. 572). 

 The distinction between product and process  innovations  should not be carried  too  far. Most  innovative  firms  introduce both at  the  same  time, but  in most  firms  and  industries  it  is  possible  to  identify  the  dominant orientation of innovative efforts, associated with strategies of either price competitiveness  (and  mainly  process  innovations)  or  technological competitiveness (and mainly product innovations). In addition to product and  process  innovations,  organizational  innovation  also  can  affect  the quantity and quality of employment, and  is usually closely  linked  to  the introduction of new technologies (Caroli 2001). (Fagerberg et al. 2006, p. 573). 

 As summarized by (Damanpour and Gopalakrishnan 2001), 

‐ “product” is a good or service offered to the customer or client; ‐ “process” is the mode of production and delivery of the good or service 

(referring to Barras 1986); ‐ “product innovation” is new products or services introduced to meet an 

external user or market need; ‐ “process innovation” is new elements introduced into an organization’s 

production  or  service  operations  (e.g.  input  materials,  task specifications, work and info flow mechanisms, equipment) to produce a  product  or  render  a  service  (Ettlie  and  Reza  1992;  Knight  1967; Utterback and Abernathy 1975) 

 

Distinctions between product and process  innovation are not always clear, as Fritsch and Meschede  (2001) describe  in  their exploration of  the  impacts of a firm’s  size  with  regard  to  R&D  expenditures  on  product  versus  process innovation. They point out that many studies into differences between types of innovation refer to firm size, but not always with regard to the size of the firm relative to the size of the  industry, which could be significant. They also allude to  the  idea of “thresholds”  (my  term) with  regard  to acquiring knowledge  for innovation – “the  requirement  to build up  some  sort of absorptive capacity.” Fritsch and Meschede then suggest that complications arise when considering that product and process  innovations may be related (Kraft 1990; Lunn 1986), and  that  there  are  in  fact,  good  arguments  to  suspect  a  quite  significant interrelationship  (Ewers  et  al.  1990).  Product  innovation  can  necessitate 

Page 27: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

14 

process  innovations,  and  process  innovation  may  enable  product improvements. 

2.2.2. Modeling Innovation Processes This section – with reference back to the Kline and Rosenberg quotation at the start of section 2.2 – begins by  taking a  look  inside  the “black box”  regarding the process by which innovation happens. In order to be able to develop tools and  methods  to  integrate  into  existing  product  innovation  working environments –  a  long‐term  goal of  this  research  –  it  is  important  to have  a base  understanding  of  how  the  product  innovation  process  is  perceived. However, many models of the product development and/or product innovation process  exist.  When  considering  possible  interventions  for  including sustainability  aspects  in  product  innovation,  it  is  helpful  to  consider  these different  models  and  their  varying  levels  of  complexity.  Below,  first  a Roozenburg and Eekels model used both in Paper C and in other related works is presented to provide clarity with what is meant. Then, some other models of this process are presented to show that there are different ways of  looking at how innovation happens.  Roozenburg  and  Eekels  (1995)  provide  a  distinction  between  product development and product  innovation, suggesting  that product  innovation  is a process  that  includes  product  development  as  illustrated  in  Figure  41. Other authors  use  different  descriptions  of  the  process.  For  example,  Ulrich  and Eppinger define product development  (PD) as  “the  set of activities beginning with the perception of a market opportunity and ending in the production, sale and  delivery  of  a  product”  (Ulrich  and  Eppinger  2003).  This  definition  for “product  development”  more  closely  matches  with  what  Roozenburg  and Eekels refer to as “product innovation.”  

                                                            1  In  this  figure,  the  boxes  represent  processes  ‐‐  things  that  happen,  i.e.  they  are represented as verbs, while  the  circles  represent  results of  the process,  i.e.  they are represented as nouns. 

Page 28: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

2. Knowledge Domains 

15 

 Figure 4: Product Innovation Process. Recreated from (Roozenburg and Eekels 1995). 

Page 29: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

16 

Linear Simple linear models view new product development (NPD) as a sequential and ordered process with five to ten ordered steps, e.g. Syan (1994).  

Concurrent Concurrent models maintain the same view with a linear flow, but add multiple lines  based  on  different  functions.  See  e.g. Olsson  (1976),  Syan  and Menon (1994), Cooper (1990) (the Stage‐Gate process), or Ulrich and Eppinger (2003). Acknowledging  that  these  concurrent models  are  perhaps  too  rigid,  Byggeth and Broman  (2000)  introduce  the  idea of “flashes of thought” to suggest  that there  is  generally  a  procedural  flow  that  can  be  represented  in  a  integrated product development approach, but  that experienced product developers will be  thinking  backwards  or  forwards  or  between  different  responsibility  areas even while their main focus is in one development phase. 

Recursive Recursive models view the process as having concurrent and multiple feedback loops that generate iterative behavior and lead to outcomes that are not linear, and  therefore  are much more  difficult  to  predict,  e.g.  Kline  and  Rosenberg (1986). 

Chaotic Chaotic models come from the area of chaos theory in physics, and essentially extend the recursive perspective. These suggest that  innovation process starts chaotically  and  finishes  in  stability,  e.g.  the  “fuzzy  front  end”  is  chaotic,  but leads  into  a  more  predictable  state.  Thus  the  initial  stages  exhibit  chaotic dynamics  that  appear  random  and  unpredictable, while  the  latter  stages  of product innovation are better suited to linear frameworks, e.g. Koput (1997) or Cheng and van de Ven (1996). 

Complex Adaptive Systems Complex  adaptive  systems  models  describe  the  process  as  a  network  of partially‐connected agents with a varying  level of  involvement  in a variety of processes  while  also  creating  new,  reconfiguring,  and  cutting  out  network relationships. This perspective, promoted by McCarthy et al. (2006), maintains the  complex  systems  view  of  the  previous  two  perspectives,  but  instead  of being  based  on  a  top‐down  perspective mapped  at  a  high  system  level,  it describes  the  process  “from within,”  i.e. with  a  bottom‐up  perspective.  This approach assumes that all three of the following are adaptable and changing: 

1) The environment in which the agents are existing 2) The configuration of the agents’ networks 

Page 30: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

2. Knowledge Domains 

17 

3) The  rules  governing  the  behavior  of  the  individual  agents  (the  way agents make decisions) 

In this way, those agents can be adapted, e.g. to match push/pull market forces and innovation expectations that range from incremental to radical. 

This final approach begins to address the separation pointed out by Kline and Rosenberg,  integrating  both  that which  is  “outside  the  box”  as well  as  that which is “inside the box.” 

2.3. Product-Service Systems The  concept of product‐service  systems  (PSS) emphasizes a  shift  in  the  focus from  selling  only  a  physical  product  or  service  to  selling  the  result  of  a combination  of  products  and  services.  Definitions  of  PSS  typically  include reference  to  increased competitiveness of PSS providers. Some definitions do not explicitly include reference to reduced environmental impacts e.g. (Manzini and Vezzoli 2003; Wong 2004); however, PSS definitions frequently do  include reference to reduced negative environmental impacts, e.g. (Baines et al. 2007; Goedkoop et al. 1999; Mont 2004; Wong 2004). 

Tukker presents eight types of PSS, which he divides into three categories: one category being product‐based,  the other  category being  service‐based,  and  a middle category (Tukker 2004). See Figure 5. 

 

Page 31: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

18 

Figure  5:  Eight  types  of  PSS,  including  main  and  subcategories  of  PSS.  Recreated from (Tukker 2004). 

Tukker,  Tischner  and  Verkuijl  (2006)  have  explored  the  opportunities  for environmental  improvement with  regard  to  these  eight  types of  PSS,  finding that  they  are  generally,  but  not  necessarily,  associated  with  improved environmental performance. Of the eight types, some have the opportunity for more significant improvement in environmental performance than others, with the  function‐oriented  type  having  the most  significant  opportunities.  This  is illustrated in Figure 6. 

The  eighth  type,  functional  result‐oriented  PSS,  leads  into  the  idea  of “functional product development” described by Isaksson et al. (2009) as having the  objective  of  “developing  the  solution  (i.e.  any  combination  of  hardware, software, services, etc.) to customer needs that create value for the customer.” 

Mont,  in her PhD  thesis on  the  topic of product‐service  systems,  includes an extensive  history  of  the  concept,  summarizing  with  this:  “the  shift  to  PSSs stimulates companies to find new profit centres, concentrate on core activities and outsource support functions, create alliances for provision of product value and  improve  economics  by  optimizing  service  productivity  and  by  treating products as capital assets” (Mont 2004). Matzen makes a major contribution to the field with his PhD thesis focusing on service‐oriented product development, contributing  significantly  with  how  to  bring  service  aspects  into  product‐

Page 32: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

2. Knowledge Domains 

19 

focused  development  processes  (Matzen  2009).  Tan  complements  this work, contributing strategies related to service development (Tan 2010).  PSS Type  Environmental  impacts  compared  with  a  reference 

situation (product) 

  Worse  Equal  Incremental Reduction (<20%) 

Considerable Reduction (<50%) 

Radical Reduction (<90%) 

1. Product‐related Service 

 

2. Product‐related consultancy 

 

3. Product lease   

4. Product renting and sharing1,3 

 

5. Product pooling2,3 

 

6. Pay‐per unit use 

 

7. Activity management 

 

8. Functional result 

 

1Renting,  sharing: considerably  to  radically better  if  impacts are  related  to product  production  and  the  product—when  traditionally  owned—is  used with very low intensity 2Pooling: additional  reductions  compared with  sharing/renting  if  there are important impacts related to the use phase 3Renting,  sharing,  pooling:  even  higher  if  the  system  leads  to  no‐use behaviour All:  if  the  new  business  model  enhances  the  competitive  position  of environmentally friendly technologies, higher improvements can be at stake (not usual and case‐specific) 

Figure  6:  Tentative  (environmental)  sustainability  characteristics  of  different  PSS types. Recreated from (Tukker and Tischner 2006, p. 96). 

Page 33: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

20 

2.4. Sustainable Product Innovation There  is  significant  research  in  a  variety  of  areas  closely  relating  to sustainability  in  product  innovation.  Recently,  work  was  done  at  Imperial College  focusing on Sustainable Product and Service Development  (SPSD) that reviewed  many  approaches  to  sustainability  in  product  development  and resulted  in an approach that emphasized functional and systems thinking, see e.g.  (Maxwell 2003; Maxwell et al. 2006). See a summary of Ecodesign, which emphasizes bringing ecological issues into the product innovation process, in a 2006  special  issue of  the  Journal of Cleaner Production  focused on  the  topic (Karlsson and Luttropp 2006), as well as closely‐related concepts like Design for Environment  (DfE).  The  present  work  differs  from  those  by  utilizing  the framework  for  strategic  sustainable  development  introduced  in  2.1,  thus providing a different perspective with  regard  to  the  sustainability component with potentially different results. 

There  are  various  approaches  to  design  (more  broadly  than  product development)  that  also  bring  in  sustainability‐based  thinking,  e.g.  Cradle‐to‐Cradle or Biomimicry. Here, emphasis  is placed on  radical  innovation  through outside  inspiration.  Cradle‐to‐Cradle,  with  the  mantra  “waste  equals  food,” emphasizes the need for technical systems to operate  in cycles, and highlights the  concept  that  “eco‐efficiency  only  works  to  make  the  old,  destructive systems  a  bit  less  so”  (Mcdonough  and  Braungart  2002,  p.62).  Biomimicry suggests that nature has been innovating for billions of years, and that there is a  huge  amount  of  inspiration  to  be  explored  by  human  designers  (Benyus 1997). These two examples are mentioned because they strongly relate to the aspect of this thesis that focuses on sustainability‐driven innovation. 

Research  at  BTH  relates  to  bringing  together  a  strategic  sustainable development  perspective  with  traditional  product  innovation  approaches. Previous  work  suggests  that  there  is  a  need  for  systematic  integration  of sustainability  aspects  in  the  product  innovation  process with  strong  support from senior management and presents a method for doing so (Hallstedt 2009). Previous work also provides detailed examples for how the FSSD can be used to design  tools  intended  specifically  for  incorporating  a  full  sustainability perspective  in  the early  stages of product  innovation  (Ny 2010). The present thesis extends the existing research by  increasing the focus on product‐service systems and opening the door into innovation research. 

 

Page 34: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

3. Summary of Appended Papers 

21 

3. Summary of Appended Papers

3.1. Paper A Introducing Strategic Decision Support Systems for Sustainable Product‐Service Innovation Across Value Chains 

Published as: Ny,  H.,  A. W.  Thompson,  P.  Lindahl,  G.  Broman,  O.  Isaksson,  R.  Carlson,  T. Larsson  and  K.‐H.  Robert  (2008).  Introducing  Strategic  Decision  Support Systems  for  Sustainable  Product‐Service  Innovation  Across  Value  Chains. Sustainable  Innovation  08:  Future  products,  technologies  and  industries.  The Centre for Sustainable Design. Malmö, Sweden.  

Summary This paper suggests that expanding the perspective of product developers and business  developers  can  lead  to  insight  regarding  opportunities  for sustainability‐inspired  innovation,  and  we  present  an  idea  for  a  strategic decision support system (SDSS) that could support that by systematically: 

1. Incorporating  a  full  sustainability  perspective  to  respond  to increasingly‐important market demands and opportunities, 

2. Providing opportunities to optimize value chains by enabling a life‐cycle overview of the entire value chain, 

3. Supporting  transitioning of  traditional product  solutions  into product‐service systems focused on meeting  (market and basic human) needs, and 

4. Connecting operational and strategic levels in companies. This paper provides an overview of how a framework for strategic sustainable development  can  provide  a  foundation  for  including  sustainability considerations  throughout  the  product  innovation  process  in order  to better connect  strategic  and  operational  levels  in  companies,  resulting  in  the identification and exploration of opportunities to optimize value chains through product‐service systems. 

Relation in thesis This paper sets the broader scope of the thesis work by introducing the concept of a strategic decision support system that  incorporates (1) a full global socio‐ecological sustainability perspective, (2) a broader approach to meeting needs through  product‐service  systems,  and  (3)  interfaces  toward  both  product developers and business managers. 

Page 35: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

22 

Results The result of this paper is a model for how a strategic decision support system (SDSS)  could  link business  and product‐service developers with  suitable  tools and experts throughout innovation processes by building systematically upon a theoretical foundation. 

Present Author’s Contribution The present author was involved from the initial concept stage of this paper, and as such contributed significantly with developing and formulating theory through to final editing.   

Page 36: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

3. Summary of Appended Papers 

23 

3.2. Paper B Decision Support Tools  for Sustainable Product  Innovation  in a  few Swedish Companies 

Accepted as: Thompson, A. W., P. Lindahl, S. Hallstedt, H. Ny and G. Broman (2011). Decision Support Tools for Sustainable Product Innovation in a few Swedish Companies. 3rd  International  Conference  on  Research  into  Design  (ICORD).  Centre  for Product Design and Manufacturing. Bangalore, India. 

Summary This paper explores how and where sustainability  is considered  in the product innovation process at six Swedish companies. The paper provides a map of the overall company operations for the companies in relation to a generic product innovation model (the Roozenburg and Eekels diagram presented  in Figure 4), followed by a map of the places where sustainability considerations are made in  that model.  It  also  briefly  describes  some  tools  that  are  used  to  support those  sustainability  considerations,  and  then  summarizes  responses  from interviewees  regarding  where  they  see  gaps  with  regard  to  including sustainability in their companies’ innovation processes. 

Relation in thesis This  paper  explores  the  current  state  of methods  and  tools  for  sustainable product  innovation  in  some  Swedish  companies.  It  confirms  and  provides further  insight  into a key assumption:  that  there  is an opportunity  to expand existing methods and tools to support sustainability considerations  in product innovation.  It  also  provides  insight  into  how  company  processes  work,  and where  it might make  sense  to  introduce  new methods  or  tools,  either  from scratch or as complements to existing tools. 

Results The paper concludes that there are some, but not sufficient, methods and tools to  support  inclusion  of  sustainability  aspects  in  the  product  innovation processes of these companies. It also makes the point that many of the existing methods  and  tools  for bringing  sustainability  considerations  into  the product innovation process are based on a  forecasting approach, which  is  rooted  in a mindset of reducing negative impacts. 

Present Author’s Contribution The  present  author  was  involved  from  the  early  stages  of  planning  these interviews, participated in interviews with three of the six companies, and then lead the summarizing of results and the writing process. 

Page 37: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

24 

3.3. Paper C Success within Sustainability Constraints through Strategic Systems Modeling and Simulation: The Case of Waterjet Cutting

Submitted for publication as: Ny, H., A. W. Thompson, K.‐H. Robèrt, G. Broman, H. Haraldsson, D. Koca and H. Sverdrup  (2010).  Success  within  Sustainability  Constraints  through  Strategic Systems Modeling and Simulation: The Case of Waterjet Cutting.

Summary This paper proposes a method for bringing together a framework for strategic sustainable  development  (FSSD)  and  an  approach  to  systems modeling  and simulation (SMS) through a case study of business planning within the waterjet cutting machine  industry.  From  the  SMS  perspective,  the  FSSD  contributes  a sustainability perspective to ensure that when SMS tools are used, the resulting analysis does not miss  key  sustainability aspects.  From  the  FSSD perspective, SMS  tools  contribute  with  the  detailed  analysis  that  supports  evaluation  of various options. The overall structure of the case study presented in this paper is  in  the  form of a “backcasting  from principles” approach,  referred  to  in  the paper as an ABCD process. This involves four steps: 

A) Agreeing upon  the Waterjet System within society and  the biosphere, and success for those systems 

B) Benchmarking against success C) Creating visions and potential actions D) Determining actions 

After  doing  these  four  steps  at  an  overview  level,  they  are  revisited  using conceptual SMS tools, in this case causal loop diagrams, to map out causalities between  system  variables.  A  third  revisit  employs  numerical  analysis  tools (where  necessary)  to  quantify  those  variables  and  iterate  them  over  time within different  scenarios. For  this case  study, with a  focus on exploring how sustainability‐drivers  within  the  market  could  impact  the  waterjet  cutting industry, the scenarios explore different responses to a hypothetical increase in the tax on carbon emissions, supporting further understanding of the problems, possible solutions, and possible investment paths. 

Relation in thesis This paper introduces various approaches to modeling and simulation, and goes into  a  detailed  description  of  one  of  these  approaches  and  how  it  can  be combined with the FSSD to form a new tool for decision support in planning. 

 

Page 38: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

3. Summary of Appended Papers 

25 

Results This paper presents a suggested approach  for bringing  together  the FSSD and system  dynamics  modeling.  The  results  of  the  case  study  provide  some recommendations to the waterjet cutting  industry regarding what  it can do to be more competitive on a sustainability‐driven market. 

Present Author’s Contribution The present author was involved primarily through contributing LCA‐based data from  the  Waterjet  cutting  machine,  along  with  minor  contributions  to  the system dynamics modeling. 

 

Page 39: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

26 

3.4. Paper D Benefits  of  a  Product‐Service  System  Approach  for  Long‐life  Products:  The Case of Light Tubes 

Published as: Thompson,  A. W.,  H.  Ny,  P.  Lindahl,  G.  Broman  and M.  Severinsson  (2010). Benefits of a Product Service System Approach for Long‐life Products: The Case of Light Tubes. 2nd CIRP  International Conference on  Industrial Product‐Service System  (IPS2).  The  International  Academy  for  Product  Engineering  (CIRP). Linköping, Sweden. 

Summary Products  designed  for  long‐life  often  have  significant  potential  for  better sustainability  performance  than  standard  products  due  to  less material  and energy usage for a given service provided, which usually also results in a lower total  cost.  These benefits  are not  always obvious or  appealing  to  customers, who  often  focus  on  price.  Long‐life  products  are  therefore  at  an  inherent disadvantage:  due  to  lower  volume  of  sales  that  results  from  the  products’ longer‐life, the margins (price) often need to be higher. This paper shows that when the revenue base is shifted to be the service of light (instead of the sales of  light  tubes),  there  is an opportunity  for a “win‐win‐win”  for  the  light user, the  long‐life  light  provider  and  society.  Through  a  product‐service  system approach, resulting in a well‐communicated total offer, the full array of benefits becomes clearer to the customer, including that they avoid the high initial cost. 

Relation in thesis This  paper  explores  a  specific  opportunity  for  a  PSS,  including  the  need  and opportunity for business model  innovation, and  is motivated by two questions Tukker  (2004) posed  regarding 1)  if a PSS‐approach  is  the best way  to create added  value,  and  2)  the  factors  that  determine  if  a  PSS  approach  is more sustainable than a traditional approach. This paper provided the opportunity to think more in depth about a PSS approach and for modeling and simulation to support such an approach with regard to considering both environmental and economic aspects. The paper uses a Strategic  Life Cycle Management  (SLCM) tool that  is based on the FSSD to show how the sustainability aspects of a PSS approach can be compared to a traditional offer. The paper also discusses the value  proposition,  emphasizing  both  value  to  the  producer  and  value  to  the consumer, to show the benefits of considering these two distinct perspectives on value while developing a PSS. Two clear contributions of this paper are: 

Page 40: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

3. Summary of Appended Papers 

27 

1) A  concrete  example  of  a  PSS  that  can  come  about  based  on  an innovation  to  the  business  model  with  little,  if  any,  change  to  the physical product due to its inherent sustainability‐friendly attributes. 

2) An  approach  to  assessing  sustainability  performance  based  on  the FSSD,  most  significantly  saying  that  only  after  all  other  potential sustainability  impacts  are  considered  and  found  to be  the  same,  can one  then  conclude  that  the  PSS  scenario with  the  least  energy  and material flows is the “more sustainable” option. 

Results This paper extends the same logical arguments in favor of a PSS approach that have been offered by early movers in this field by shifting the starting point of those arguments. Here the emphasis is that products designed for long‐life gain competitive advantage through a PSS offer by capturing value that is otherwise distributed elsewhere  in the value chain. Rather than having a regular product evolve into a PSS and then working toward longer‐life, it is possible to start with a long‐life product that gains competitive advantage by selling function: this is a different path to the same result. 

Present Author’s Contribution The present author’s interest in the idea drove the paper; as such, the present author drove the writing process.  

   

Page 41: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

28 

4. Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service Systems

The first section in this chapter presents the author’s present understanding of how sustainability considerations are currently  included  in product  innovation processes. The second section develops  the case  for using, and  then presents ideas  for  how  to  work  towards,  sustainability‐driven  innovation  through product‐service systems. 

4.1. Observations on Sustainability in Swedish Product Innovation

This section first reflects on some motivations for companies wanting to include sustainability  in  their  product  innovation  processes,  followed  by  some ways that  they  are  including  sustainability  in  those  processes  and  some  of  the justifications they provide for doing so. 

4.1.1. Motivations for Including Sustainability Companies  include sustainability criteria  in their product  innovation processes primarily  for  one  of  these  reasons:  1)  legislation,  2)  cost  reduction  (e.g. resource efficiency), or 3) employee interest in “doing good.” 

Certainly  the  Swedish  companies  involved  in  this work  include  sustainability aspects at least to the extent that they must in order to comply with legislation. Sustainability criteria that overlap with cost savings (e.g. efficiency of resource use or energy) are also very likely to be considered. Other sustainability criteria that do not have direct effects on cost are much  less  likely  to be considered; though aspects that can have indirect impacts on company success e.g. through the company’s image are being considered with greater frequency. 

The origination of sustainability  from  legal requirements or employee  interest often  leads  to  sustainability  considerations  being  perceived  as  an  extra expense, i.e. one more product requirement that competes for resources. 

In both business‐to‐consumer  (B2C) and business‐to‐business  (B2B) situations, customers are increasingly demanding sustainability be considered in products. In  B2C  it  is  often  in  the  form  of  eco‐labels  or  other  identifying  factors  that provide piece of mind  to  the  consumer, while  in B2B  situations  it  frequently relates  to procurement demands by  the purchasing  company  to  reduce  risks e.g. of not being in compliance with environmental legislation. 

4.1.2. Ways of Including Sustainability In  response  to  the way  sustainability aspects are beginning  to be  required of companies, sustainability aspects are being added  into product  requirements, e.g.  compliance with materials  lists  that  say  certain  substances are not  to be 

Page 42: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

4. Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems 

29 

used in a product itself or the manufacturing processes for the product; carbon emissions over the life of the product must be estimated and held at or below a certain  level;  or  the  working  conditions  of  suppliers  must  meet  certain requirements. Some of these have been around for decades (e.g. material lists), while others are very recent (e.g. social aspects at suppliers). 

Design  processes  must  then  take  these  additional  requirements  into consideration, which further limits (e.g. beyond technical limitations) the design space  in  which  product  developers  are  able  to  create  solutions  or  draws resources  away  from other  types of  improvements  that  could be made.  This adds to the cost of the innovation project, putting additional constraints on the already stretched allocation of resources. 

4.1.3. Justification for Including Sustainability These approaches typically lead to attempts to show how sustainability efforts reduce  costs or  increase  revenues,  and  to  argue  that when  fully  considered, sustainability  aspects  do  not  increase  overall  costs  for  the  company. Theoretically, this is done at a product level through e.g. life‐cycle costing (LCC), total‐cost accounting (TCA), or full‐cost accounting (FCA); see e.g. (Norris 2001; Shapiro 2001). Willard has written on  the effects of  sustainability at  the  firm level, and suggests that there are significant economic impacts on a company’s bottom  line  from  incorporating  sustainability  aspects  that  relate  to  e.g.  staff retention,  attraction  of  the  best  talent,  etc.  (Willard  2002).  Companies  that have been involved in this research project are aware of these approaches, but do not appear to have them integrated into standard procedures. 

4.1.4. Summary of Observations The chain of thought presented in this section suggests that companies include sustainability  considerations  either  because  they  are  legislated,  out  of  some sense of greater good, or in order to attract or retain customers and staff. All of these  are  fine  reasons  to  include  sustainability  considerations,  and  likely contribute  to  a  company’s  success  as  suggested  by  e.g.  (Willard  2002). However, this chain of thought does not get directly to the main motivation for industry:  profitability.  Rather,  there  is  an  indirect  journey  that  leads  back  to profitability.  Companies  are  doing  things  for  sustainability.  As with  the  five‐level‐framework  in  section  2.1,  “sustainability”  is  at  the  “success”  level. However,  for  companies,  “success”  is  not  “global  socio‐ecological sustainability,” but rather “profitability.” Awareness of sustainability issues and the  strategic  use  of  them  can  certainly  support  a  company’s  efforts  to  be profitable, e.g.: 

‐ Using  knowledge  of material  scarcity  and material  flows  to  influence material selection, 

Page 43: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

30 

‐ Awareness of public perception of energy, water, other resource use in areas where resources are limited, and 

‐ Understanding  cycles  of  natures  and  using  that  for  inspiration  in  the design of product‐service innovations. 

Innovation  is  a  significant  factor  in  profitability:  the  ability  to  identify  and successfully  take  to market  new  products,  to  find  new  and  better  ways  to produce  physical  artefacts  and  to  deliver  services,  etc.  directly  support competitiveness  and  profitability  for  firms. Assuming  this  is  true,  there  is  an opportunity  for sustainability  to drive  innovation processes  in companies  that leads to profitability. What  is missing, then,  is the motivation and competence to  use  sustainability,  and  especially  a  strategic  sustainability  perspective,  to guide and even accelerate innovation processes. 

4.2. Sustainability as Driver of Innovation 4.2.1. The Case for Sustainability as Driver Sustainability  as  described  in  section  2.1  asks what  is  necessary  in  order  for human  society  to not  systematically degrade  its ability  to exist,  and  suggests that  society  ought  not  to  do  things  that  potentially  risk  that  long‐term existence.  This  way  of  thinking  about  sustainability  can  be  used  to  drive innovation  through  incremental  innovations  in  either  products  or  processes (e.g.  reduced material  or  energy  use  by  a  product  or  increased  efficiency  in production processes). This way of thinking about sustainability can also drive radical innovations that seek fundamentally new ways of meeting market needs with  radically  reduced negative environmental or  social  impacts, or  increased satisfaction of those needs with the same environmental or social impacts. 

Sustainability‐driven innovation is different than “innovation for sustainability,” which implies that the innovators are interested in pursuing sustainability as an end goal2. This is not typically the way companies do – even legally can – define success. Rather, knowing about sustainability  issues can help companies to be more successful on an increasingly sustainability‐driven market. 

Using  a  product‐service  system  approach  provides  an  opportunity  for companies  to  reconsider  how  their  products/services/combinations  create value  and  generate  revenue.  Pursuing  a  PSS  does  not  necessarily  explicitly demand  a  sustainability  focus  or  even  awareness,  and  it  does  not  imply  an 

                                                            2  Certainly  there  are  individuals  (e.g.  social  entrepreneurs)  and  organizations  (e.g. NGOs)  that are  interested  in  innovating  toward  the end goal of a sustainable society. This  thesis,  however,  is  directed  toward  firms  and  developing  both  their  interest  in using  sustainability  to  drive  their  innovation  processes  and  the  support mechanisms they need to do that. 

Page 44: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

4. Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems 

31 

improved sustainability profile. Rather, a PSS‐approach opens up to new ways of  thinking which are  inherently  in  less  contradiction  to a  sustainable  society than more traditional approaches focused only on generating revenue from the sales  of  physical  artefacts.  This  is  because  a  PSS‐approach  opens  the possibilities to generating revenue based on the provision of specific functions that meet needs  rather  than generating  revenue based on  the  sales of  those physical  artefacts.  Revenue  based  on  function  is  further  enhanced  through sustainability‐related  initiatives  such  as  dematerialization,  consideration  of closed‐loop product  life cycles, minimization of operating costs  that are often indicative of negative environmental or social impacts, etc. 

4.2.2. Making Sustainability the Driver Section  4.1  presents  observations  of  the  day‐in  and  day‐out  of  sustainability aspects  in product  innovation  in some Swedish companies: there exists a core product,  there  is  a  desire  to  improve  the  product  both  in  terms  of meeting evolving customer needs and in terms of sustainability performance, and there is  a  need  to maintain  or  improve  profitability. With  that  in mind,  and  also keeping in mind Section 2.4, which briefly introduced other existing innovation‐based  design  approaches  (with  Cradle‐to‐Cradle  and  Biomimicry  as  specific examples),  this  section  provides  thoughts  on  how  innovation  processes  can become more sustainability‐driven. 

Backcasting when Developing Support The challenge when developing support for design processes is that with regard to  sustainability,  there  is  a  sense of needing  the  radical  changes  that  can be inspired by  these more  radical concepts. On  the other hand,  the challenge of integrating  support  into  existing product  innovation working  environments  is that  there  are  established  routines  and  tight  timeframes  for  innovation projects;  asking  for  a  radical  re‐thinking  of  how  a  product  should  or  could function is simply not possible given limited resources. Product developers ask for a simple tool that guides them to the right material choice; e.g. aluminum requires more energy  to produce  than steel, so steel should be used. This, of course,  is a gross over‐simplification of  the  life  cycle  impacts of  the different materials,  and  is  precisely  why  simple,  well‐intentioned  guidance  is problematic:  the  questions  seldom  have  simple  answers.  People  understand this: aluminum is lighter than steel, so using aluminum instead of steel in some applications will recover the extra energy used in production, eventually having a  better  overall  performance with  regard  to  energy  use.  However,  the  best design may depend significantly upon user behavior, thus an apparently simple question becomes a wicked problem as described in section 1.3.4. 

Support  concepts  must  acknowledge  the  reality  of  the  present  product innovation working environment,  including  resource  (e.g.  time) constraints as 

Page 45: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

32 

well  as  product  performance  obligations.  This  naturally  tends  towards  an incremental approach to improving the sustainability performance of products. At  the  same  time,  there  is  an  urgency  to  provide  support  that  is  capable  of meeting the ever‐higher demands of the global context. In light of this, there is an opportunity  to use a backcasting approach when developing support  tools and methods. This would entail developing  such  support  that  considers both the  immediate decisions  that product developers are being asked  to make  in short time periods, and also using that support to lead the product developer’s thinking  into  new  areas  so  that when  “flashes  of  thought”  occur,  there  are seeds  of  ideas  for  these  other  sustainability‐related  things  to  be  considered that  open  opportunities  for  innovation  (e.g.  sustainability  of materials,  user behavior,  service  opportunities,  etc.).  The  short‐term  steps  involve  providing support  tools and methods  that  companies need  to  continue exploring a PSS mindset  may  not  result  immediately  in  function‐based  innovation  (since function‐oriented products are only one  type of PSS). The  long‐term  is about working toward function‐based innovation so that revenue streams can evolve to  be  based  on  sales  of  function  – with  its  associated  potential  benefits  for global socio‐ecological systems. 

The  distinction  between  the  use  of  backcasting  here  and  e.g.  Hallstedt’s  Method  for Sustainable Product Development  (MSPD)  (Hallstedt 2008)  is  that MSPD asks for people using that method to backcast from a product that could exist  in  a  sustainable  society,  and  to  use  that  to  help make  decisions  in  the innovation process. Here  the  suggestion  is  that  the backcasting  approach be used  by  researchers  to  develop  support  methods  and  tools.  Furthermore, based  on  the  assumption  that  pursuing  function‐based  products  is  a  very attractive  opportunity  that  combines  society’s  need  to  pursue  sustainability with the business need to be profitable, the suggestion is that the vision that is backcast from be a product innovation working environment that is focused on functional  product  innovation.  This  is  an  extension  of  the  idea  of  “bridging tools” that is presented in Paper A. 

Expand from Sustainability Constraints to Sustainability‐driven Innovation As  described  in  4.1.2,  sustainability  is  often  incorporated  into  product innovation  working  environments  as  an  “add‐on,”  e.g.  through  product  or process  requirements  that  serve  as  filters  to  reduce  the  number  of  ideas  or concepts until only the “more sustainable” (typically meaning the options with the fewest known environmental impacts) remain. 

To a greater or  lesser extent, adding sustainability‐based design requirements and  incorporating methods and tools to existing product  innovation processes are ways  of  comfortably  introducing  sustainability  into  those  environments. 

Page 46: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

4. Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems 

33 

However,  as  the  easy  opportunities  for  improvement  with  regard  to sustainability  are  implemented  (i.e.  the  “low‐hanging  fruit”  are  “harvested”), continued  improvement with regard  to sustainability aspects  is more difficult. After the easy stuff is done, then there is a need/opportunity for sustainability to proactively drive innovation. 

This work  suggests  that  sustainability can drive  innovation by opening up  the idea  space  during  idea  generation,  i.e.  contributing  to  the  “divergence”  that occurs  in  earlier  stages,  before  sustainability  aspects  are  used  as  a  filter  to “converge”  onto  a  final  product.  The  waterjet  cutting  machine  example  in Paper C begins  to describe  a way  in how  to do  this  through  the  “C  step” of creating visions and potential actions by modeling a current  system and  then looking  at  it  in  an  anticipated  future  in  which  the  market  is  increasingly sustainability‐driven. 

Find value‐creating opportunities by optimizing at a higher system level Expanding  the  peripheral  perspective  of  people working with  innovation  can lead  to  opportunities  for  capturing  value  that  is  otherwise  outside  of  their scope. This  is because  there  is  frequently an emphasis on  the optimization of sub‐systems,  while  higher  level  systems  remain  sub‐optimized:  focus  is  on tweaking the details of  lower‐level systems, while opportunities for significant higher‐level system improvement are missed. This is in line with what Bey and McAloone (2006) suggest when discussing the role of ecodesign and LCA in PSS development:  that  a  PSS  approach  inherently  promotes  thinking  at  a  higher system level. 

The waterjet cutting project described in Paper C illustrates this: the first efforts in the project related to building detailed technical models of the machines and machines parts, which were used  to better optimize  the weight of  the parts, and thus improving the energy efficiency of the machine, e.g. an opportunity to reduce the weight of parts by 30 percent lead to overall system improvement; see  (Byggeth  et  al.  2007).  Additionally,  outside  of  the  scope  of  those  early technical  improvements, was  the opportunity  to optimize  the broader system with  regard  to use of  sand as an abrasive  in  the process as demonstrated  in Paper C. The weight optimization of machine parts is at a more focused system level, thus involving a smaller number of actors, and thus easier to modify. The opportunity to optimize the abrasive was out of the scope of the  initial focus, and when explored,  involved a significantly  larger number of actors. There  is, however, economic value  to be captured and environmental  improvement  to be  made  specifically  by  reducing  the  sand‐related  transportation.  One  can assume the current situation happens as it does today because it optimizes the economics  at  a  certain  level.  However,  as  the market  becomes  increasingly sustainability‐driven  (e.g.  increased  transportation  costs  due  to  energy  price 

Page 47: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

34 

increases,  carbon‐related  taxes,  etc.)  opportunities  to  optimize  at  a  higher system level will become more economically rational. 

Capturing the value created by optimizing at higher system levels is challenging, particularly with  business models  focused  on  the  sales  of  physical  artefacts. However, Paper D presents an example that appears poised for capturing value at this higher  level:  long‐life  light tubes reduce costs associated with changing the  light  tubes  at  the  end  of  their  useful  life.  This  value  is  not  typically considered  in  the development of physical artefacts, and communicating  it  to customers  is also challenging. The PSS approach, however, opens possibilities for win‐win‐win  situations  for  the  light‐tube providers, users, and because of improved sustainability‐performance, society.  

Innovate the offer, not the artefact The case presented in Paper D also shows that there is an opportunity to use an existing  product  to  focus  on  a  new  approach  to  providing  the  function  that customers want. In the case of long‐life light tubes, the physical artefacts have a specific attribute  (a working  life several  times  longer  than  the average  light tube)  that  (potentially)  offers  a  significant  sustainability  advantage.  Paper  D suggests that in order for the sustainability advantage provided by the attribute of  that  product  to  also  be made  into  an  economic  advantage,  the  business model  around  the  product  needs  to  shift  toward  a  function‐based  offer  of providing light, rather than remaining focused on selling the physical artefact. 

 

 

   

Page 48: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

5. Contributions 

35 

5. Contributions This work  aims  at  supporting  the  inclusion of  sustainability  considerations  in the  product  innovation  process  by  articulating  how  sustainability  can  be  a driver  in the  innovation process, specifically through a product‐service system approach. This work contributes  to both understanding with  regard  to  theory about how  sustainability‐driven  innovation can occur  through product‐service systems,  both within  the  broader  research  field  (summarized  in  5.1.1.),  and within  the  author’s  research  group  (summarized  in  5.1.2),  as well  as how  to apply that understanding to the state of practice  in  industry today  in order to realize more sustainable PSSs (summarized in 5.1.3). 

5.1.1. To the Research Field This research makes these contributions to the field: 

‐ Contextualizing  existing  awareness  of  the  gap  between  the  ideal  put forth  in  theory  and  the  actual  practice  of  design  in  a  backcasting perspective  that  suggests  the development of  support needs  to meet decision‐makers where  they  are  today while  leading  them  toward  a more ideal practice of PSS innovation 

‐ Clarification  that  the  pursuit  of  sustainable  PSSs  needs  to  take  a  full sustainability  perspective,  rather  than  only  striving  for  reductions  in material and energy use in a PSS 

‐ Bringing  a  strategic  sustainable  development  perspective  to  the existing body of research in the area of PSS 

5.1.2. To the Research Group at BTH This  work  brings  an  emphasis  on  a  product‐service  system  approach  as  a vehicle to enable or support better life cycle management of physical artefacts and the materials they are made of. In conjunction with this, this work extends a  language of “sustainability constraints” toward a  language of “sustainability‐driven innovation.” 

5.1.3. To Industry This research supports industry by providing: 

‐ A  mirror  reflecting  how  sustainability  is  currently  included  in  some companies’ product  innovation processes, along with  ideas for how to further integrate sustainability considerations into their daily work 

‐ A case study showing some insight into the possibility to reconsider an existing  physical  product  in  a  PSS  approach  to  innovate  the  business model  in  order  to  take  advantage  of  existing  sustainability‐friendly aspects of the product 

 

Page 49: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

36 

6. Conclusion For those working  in the area of sustainability, “sustainability” often becomes the  definition  of  success.  However,  companies  are  typically  interested  in innovation more  than  sustainability.  Though  the  logic  afforded  by  the  FSSD remains intact: a company cannot be sustainable if it is part of an unsustainable society, the perspective is different from within the business world. The focus is more local, and a company cannot sustain itself unless it is innovating: changing customers,  changing  products,  changing  services,  changing  markets,  etc.  In recognition of  this,  this  thesis has demonstrated and developed  ideas around how  sustainability  can  be  used  to  drive  those  innovation  processes  through product‐service systems that companies rely upon, while also supporting global society’s movement toward sustainability. 

7. Future Work Future efforts building upon this work could include: 

1. Clarifying  the  argument  for  shifting  inclusion of  sustainability  aspects from  a  “do  less bad”  approach  that only emphasizes quantifying  and reducing known negative environmental impacts, and moving toward a methodology where sustainability is driving innovation processes; 

2. Further reviewing and summarizing sustainability aspects of PSS, with a specific look at the FSSD’s role in understanding and analyzing the value PSS can bring to global sustainability work; and 

3. Continuing to support working toward sustainability‐driven  innovation through PSS by developing methods, tools and frameworks. 

   

Page 50: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

8. References 

37 

8. References Andersson, K., M. H. Eide, U. Lundqvist and B. Mattsson (1998). "The feasibility 

of  including  sustainability  in  LCA  for  product  development."  Journal  of Cleaner Production 6(3‐4): 289‐298. 

Andersson,  K.  and  T.  Ohlsson  (1999).  "Including  Environmental  Aspects  in Production  Development:  A  Case  Study  of  Tomato  Ketchup." Lebensmittel‐Wissenschaft und‐Technologie 32(3): 134‐141. 

Baines, T. S., H. W. Lightfoot, S. Evans, A. Neely, R. Greenough,  J. Peppard, R. Roy, E. Shehab, A. Braganza, A. Tiwari, J. R. Alcock, J. P. Angus, M. Bastl, A. Cousens, P. Irving, M. Johnson, J. Kingston, H. Lockett, V. Martinez and P.  Michele  (2007).  State‐of‐the‐art  in  product‐service  systems. Proceedings  of  the  Institution  of  Mechanical  Engineers  ‐‐  Part  B  ‐‐ Engineering  Manufacture,  Professional  Engineering  Publishing.  221: 1543‐1552. 

Baumann,  H.,  F.  Boons  and  A.  Bragd  (2002).  "Mapping  the  green  product development  field:  engineering,  policy  and  business  perspectives." Journal of Cleaner Production 10(5): 409‐425. 

Benyus,  J. M.  (1997).  Biomimicry:  Innovation  inspired  by  nature.  New  York, Harper Perennial. 

Bey, N. and T. C. McAloone  (2006). "From LCA  to PSS  ‐ making  leaps  towards sustainability  by  applying  product/service‐system  thinking  in  product development."  Proceedings  of  LCE  2006,  13th  CIRP  International Conference on Life Cycle Engineering: 571‐576. 

Binswanger, M.  (2001). "Technological progress and sustainable development: what about the rebound effect?" Ecological Economics 36(1): 119‐132. 

Blessing, L. and A. Chakrabarti  (2009). DRM, a Design Research Methodology, Springer. 

Broman,  G.,  J.  Holmberg  and  K.‐H.  Robèrt  (2000).  "Simplicity  Without Reduction:  Thinking  Upstream  Towards  the  Sustainable  Society." Interfaces 30(3): 13‐25. 

Brundtland,  G.  H.,  Ed.  (1987).  Our  common  future:  [report  of  the]  World Commission  on  Environment  and  Development.  Oxford,  UK,  Oxford University Press. 

Byggeth,  S.  H.  and  G.  I.  Broman  (2000).  Environmental  Aspects  in  Product Development  ‐  an  Investigation  among  Small  and  Medium‐Sized Enterprizes.  SPIE,  Environmentally  Conscious  Manufacturing,  Boston, USA. 

Byggeth, S. H., G. I. Broman and K. H. Robert (2007). "A method for sustainable product development based on a modular system of guiding questions." Journal of Cleaner Production 15(1): 1‐11. 

Page 51: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

38 

Byggeth, S. H., H. Ny, J. Wall, G. Broman and K.‐H. Robèrt (2007). Introductory Procedure  for  Sustainability‐Driven  Design  Optimization.  International Conference on Engineering Design (ICED). Paris, The Design Society. 

Bylund, N., O. Isaksson, V. Kalhori and T. Larsson (2004). Enhanced Engineering Design  Practice  using  Knowledge  Enabled  Engineering  with  Simulation Methods.  International  Design  Conference,  Design  2004,  Dubrovnik, Croatia. 

Carson, R. (1962). Silent Spring. Boston, Houghton Mifflin Company. Cheng,  Y.‐T.  and A. H.  van de Ven  (1996).  "Learning  the  Innovation  Journey: 

Order out of Chaos?" Organization Science 7: 593‐614. Cooper,  R.  G.  (1990).  "Stage‐gate  systems:  A  new  tool  for  managing  new 

products." Business Horizons 33(3): 44‐54. Damanpour, F. and S. Gopalakrishnan (2001). "The Dynamics of the Adoption of 

Product  and  Process  Innovations  in  Organizations."  Journal  of Management Studies 38(1): 45‐65. 

Downs, R. B. (2004). Books That Changed the World. New York, Signet Classic. Dreborg, K. H. (1996). "Essence of backcasting." Futures 28(9): 813‐828. Ericson, Å. and T. Larsson (2005). A Service Perspective on Product Development 

– Towards Functional Products. 12th International Product Development Management Conference, Copenhagen, Denmark, Product Development & Management Association (PDMA). 

Ettlie,  J.  E.  and  E.  M.  Reza  (1992).  "Organizational  Integration  and  Process Innovation." Academy of Management Journal 35(4): 795‐827. 

Fagerberg,  J., D. Mowery and R. Nelson, Eds.  (2006). The Oxford Handbook of Innovation. Oxford, Oxford University Press. 

Fritsch, M. and M. Meschede (2001). "Product  innovation, process  innovation, and size." Review of Industrial Organization 19(3): 335. 

Glavic,  P.  and  R.  Lukman  (2007).  "Review  of  sustainability  terms  and  their definitions." Journal of Cleaner Production 15(18): 1875‐1885. 

Goedkoop,  M.,  C.  van  Halen,  H.  te  Tiele  and  P.  Rommens  (1999).  Product Service  Systems:  Ecological  and  Economic  Basics.  Report  for  Dutch Ministries of Environment (VROM) and Economic Affairs (EZ). 

Gordon,  R.  B.,  M.  Bertram  and  T.  E.  Gradel  (2006).  "Metal  stocks  and sustainability." Proceedings of  the National Academy of  Sciences of  the United States of America 103(5): 1209. 

Hallstedt,  S.  (2008).  "A  Foundation  for  Sustainable  Product  Development." Doctoral Dissertation. Department  of Mechanical  Engineering, Blekinge Institute of Technology, Karlskrona, Sweden. 

  

Page 52: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

8. References 

39 

Holmberg,  J.  (1995).  "Socio‐ecological  principles  and  indicators  for sustainability." Doctoral. Institute of Physical Resource Theory, Chalmers University  of  Technology  and  University  of  Gothenburg,  Gothenburg, Sweden. 

Holmberg,  J.  and  K.‐H.  Robèrt  (2000).  "Backcasting  from  non‐overlapping sustainability  principles‐‐a  framework  for  strategic  planning." International  Journal of Sustainable Development and World Ecology(7): 291‐308. 

International Organization  for Standardization. "ISO 9001:2000."     Retrieved 6 September 2010. 

IPCC  (2007). Climate Change 2007: Synthesis Report. Contribution of Working Groups  I,  II  and  III  to  the  Fourth  Assessment  Report  of  the Intergovernmental Panel on Climate Change. P. Core Writing Team, R.K and Reisinger, A. (eds.). Geneva, Switzerland. 

Isaksson,  O.,  T.  C.  Larsson  and  A.  O.  Ronnback  (2009).  "Development  of product‐service  systems:  challenges  and  opportunities  for  the manufacturing firm." Journal of Engineering Design 20(4): 329‐348. 

Johnston, P., M. Everard, D. Santillo and K. H. Robert  (2007). "Reclaiming  the definition  of  sustainability."  Environmental  Science  and  Pollution Research 14(1): 60‐66. 

Karlsson,  R.  and  C.  Luttropp  (2006).  "EcoDesign:  what's  happening?  An overview  of  the  subject  area  of  EcoDesign  and  of  the  papers  in  this special issue." Journal of Cleaner Production 14(15‐16): 1291. 

Kline, S. and N. Rosenberg  (1986). An Overview of  Innovation.  In The Positive Sum  Strategy: Harnessing  Technology  for  Economic Growth.  R.  Landau and N. Rosenberg. Washington, DC, National Academy Press: 275‐306. 

Knight, K. E. (1967). "A Descriptive Model of the Intra‐Firm Innovation Process." The Journal of Business 40(4): 478‐496. 

Koput,  K. W.  (1997).  "A  Chaotic Model  of  Innovative  Search:  Some Answers, Many Questions." Organization Science 8: 528‐542. 

Kraft,  K.  (1990).  "Are  product  and  process  innovations  independent  of  each other?" Applied Economics 22(8): 1029. 

Larsson,  A.  (2005).  "Engineering  Know‐Who:  Why  Social  Connectedness Matters  to  Global  Design  Teams."  Department  of  Applied  Physics  and Mechanical Engineering, Luleå University of Technology, Luleå. 

Larsson,  A.,  T.  Larsson, O.  Isaksson  and  N.  Bylund  (2008).  Rethinking  virtual teams  for  streamlined development.  In Virtual  technologies  :  concepts, methodologies, tools, and applications. J. Kisielnicki, Information Science Reference: 19. 

Lunn,  J.  (1986).  "An  Empirical  Analysis  of  Process  and  Product  Patenting:  A Simultaneous  Equation  Framework."  Journal  of  Industrial  Economics 34(3): 319. 

Page 53: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

40 

Manzini,  E.  and  C.  Vezzoli  (2003).  "A  strategic  design  approach  to  develop sustainable  product  service  systems:  examples  taken  from  the `environmentally  friendly  innovation'  Italian  prize."  Journal  of  Cleaner Production 11(8): 851‐857. 

Matzen,  D.  (2009).  "A  Systematic  Approach  to  Service  Oriented  Product Development." PhD. Department of Management Engineering Denmark Technical University, Lyngby. 

Maxwell, D. (2003). "Developing sustainable products and services." Journal of Cleaner Production 11(8): 883. 

Maxwell, D., W. Sheate and R. van der Vorst  (2006). "Functional and systems aspects of the sustainable product and service development approach for industry." Journal of Cleaner Production 14(17): 1466‐1479. 

Maxwell,  J.  A.  (2005).  Qualitative  research  design:  An  interactive  apprach. Thousand Oaks, California, US, Sage Publications, Inc. 

McCarthy,  I. P., C. Tsinopoulos, P. Allen and C. Rose‐Anderssen  (2006).  "New Product  Development  as  a  Complex  Adaptive  System  of  Decisions." Journal of Product Innovation Management 23(5): 437‐456. 

McDonough, W. and M. Braungart (2002). Cradle to Cradle: Remaking the Way We Make Things. New York, North Point Press. 

Meadows,  D.  H.  (1999).  Leverage  Points.  Places  to  Intervene  in  a  System.  . Hartland, Vermont, USA, The Sustainability Institute. 

Meadows, D. H., D.  l. Meadows,  J. Randers and W. W. Behrens  III  (1972). The Limits  to  Growth:  a  Report  for  the  Club  of  Rome's  Project  on  the Predicament of Mankind. London, Earth Island. 

Millenium  Ecosystem  Assessment  (2005).  Living  beyond  our means.  Natural assets and human well‐being. Statement from the board. J. Sarukhán and A. Whyte, MA. 

Mont,  O.  (2004).  "Product‐Service  Systems:  Panacea  or  Myth?"  Doctoral Dissertation. IIIEE, Lund University, Lund, Sweden. 

Mont, O. K. (2002). "Clarifying the concept of product–service system." Journal of Cleaner Production 10(3): 237. 

Norris,  G.  A.  (2001).  "Integrating  life  cycle  cost  analysis  and  LCA."  The International Journal of Life Cycle Assessment 6(2): 118. 

Ny,  H.,  J.  P. MacDonald,  G.  Broman,  R.  Yamamoto  and  K.‐H.  Robèrt  (2006). "Sustainability constraints as system boundaries: an approach to making life‐cycle management strategic " Journal of Industrial Ecology 10(1): 61‐77. 

Olsson, F. (1976). "Systematic design." Doctoral. Institution for Machine Design, Lund Institute of Technology, Lund, Sweden. 

Page 54: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

8. References 

41 

Porter, M. E. and C.  van der  Linde  (1995).  "Toward a new  conception of  the environment‐competitiveness  relationship."  The  Journal  of  Economic Perspectives 9(4): 97. 

Pujari, D., G. Wright and K. Peattie (2003). "Green and competitive: Influences on  environmental  new  product  development  performance."  Journal  of Business Research 56(8): 657‐671. 

Rittel, H. and M. Webber (1973). "Dilemmas  in a General Theory of Planning." Policy Sciences 4: 155‐169. 

Robèrt, K.‐H. (2000). "Tools and concepts for sustainable development, how do they relate to a general framework for sustainable development, and to each other?" Journal of Cleaner Production 8(3): 243‐254. 

Robèrt, K.‐H., J. Holmberg and E. U. v. Weizsacker  (2000). "Factor X for subtle policy‐making." Greener Management International(31): 25‐38. 

Robèrt, K.‐H., B. Schmidt‐Bleek,  J. Aloisi de Larderel, G. Basile,  J. L.  Jansen, R. Kuehr,  P.  Price  Thomas,  M.  Suzuki,  P.  Hawken  and  M.  Wackernagel (2002).  "Strategic  sustainable  development  ‐  selection,  design  and synergies of applied tools." Journal of Cleaner Production 10(3): 197‐214. 

Robinson, J. B. (1990). "Future under glass — A recipe for people who hate to predict." Futures 22(9): 820‐843. 

Roozenburg, N. F. M. and  J. Eekels  (1995). Product Design: Fundamentals and Methods. Chichester, England, John Wiley & Sons Ltd. 

Scholl, H. J. and S. E. Phelan (2004). Using integrated top‐down and bottom‐up dynamic  modeling  for  triangulation  and  interdisciplinary  theory integration: The Case of Long‐term Firm Performance and Survival. 22nd International  System  Dynamics  Conference  (ISDC),  Oxford,  UK,  System Dynamics Society, Albany, NY. 

Shapiro, K. G. (2001). "Incorporating costs in LCA." The International Journal of Life Cycle Assessment 6(2): 121. 

Syan,  C.  S.  and  U.  Menon  (1994).  Concurrent  engineering:  concepts, implementation and practice. London, Chapman & Hall. 

Tan,  A.  (2010).  "Service‐oriented  Product  Development  Strategies."  PhD. Department of Management Engineering, Denmark Technical University, Lyngby. 

Tukker,  A.  (2004).  "Eight  types  of  product‐service  system:  eight  ways  to sustainability?  Experiences  from  SusProNet." Business  Strategy  and  the Environment 13(4): 246. 

Tukker,  A.,  U.  Tischner  and  M.  Verkuijl  (2006).  Product‐services  and Sustainability.  In  New  business  for  old  Europe:  Product‐Service development,  competitiveness  and  sustainability.  A.  Tukker  and  U. Tischner. Sheffield, Greenleaf: 72‐97. 

Ulrich,  K.  T.  and  S.  D.  Eppinger  (2003).  Product  Design  and  Development, McGraw‐Hill/Irwin. 

Page 55: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

42 

Utterback,  J.  and  W.  Abernathy  (1975).  "A  dynamic  model  of  process  and product  innovation." Omega : The  International Journal of Management Science 3(6): 639. 

Willard, B. (2002). The Sustainability Advantage: seven business case benefits of a triple bottom line, New Society Publishers. 

Wong, M. (2004). "Implementation of innovative product service‐systems in the consumer goods  industry." Doctoral Dissertation. Cambridge University, Cambridge, UK. 

  

Page 56: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

 

43 

Paper A

Introducing Strategic Decision Support Systems for Sustainable Product-Service Innovation

Across Value Chains    

Page 57: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

44 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Paper A is published as: 

Ny,  H.,  A. W.  Thompson,  P.  Lindahl,  G.  Broman,  O.  Isaksson,  R.  Carlson,  T. Larsson  and  K.‐H.  Robert  (2008).  Introducing  Strategic  Decision  Support Systems  for  Sustainable  Product‐Service  Innovation  Across  Value  Chains. Sustainable  Innovation  08:  Future  products,  technologies  and  industries.  The Centre for Sustainable Design. Malmö, Sweden.  

   

Page 58: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper A 

45 

Introducing Strategic Decision Support Systems for Sustainable Product-Service Innovation

Across Value Chains

Ny, H., A. W. Thompson, P. Lindahl, G. Broman,  O. Isaksson, R. Carlson, T. Larsson and K.‐H. Robèrt

Abstract Most  companies  do  not  have  a  coherent  and  systematic  approach  for incorporating  sustainability criteria  into  their decision  support  systems. Given this, what would such a strategic decision support system (SDSS) look like that that  is  coherent  throughout  a  development  process  and  systematically  incorporates  (1)  a  full  sustainability  perspective,  including  (2)  a  broader approach  to  meeting  needs  by  product‐service  systems,  and  (3)  interfaces toward both specific groups of decision makers and specialized in‐depth tools?  We  anticipate  such  an  SDSS  being  structured  by  a  framework  for  strategic sustainable  development  that  provides  a  principle‐based  definition  of sustainability and a  systematic method  to  identify problems and  solutions by backcasting  from  that  definition.  This  should  aid  identification  of  potential benefits  and  challenges  of  shifting  from  a  product‐only  focus  to  a  focus  on product‐service  systems.  Additionally,  the  new  sustainability  and  product‐service system decision support should be  flexible enough  to be  incorporated into existing decision‐making processes. It will  likely be formed around a built‐in product development process at the companies. 

Page 59: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

46 

1. Introduction Product  developers  have  traditionally  focused  on  a  relatively  narrow  set  of technical  and  business  economic  aspects,  but  the  sustainability  problems  in today’s  society  provide  good  reason  to widen  the  (Charter  and  Chick  1997; Ritzén  2000;  Hallstedt  2008).  Current  impacts  of  raw  material  extraction, production, distribution, use and disposal show that new practices are needed. A product’s impacts ‐ positive and negative throughout its life‐cycle ‐ are largely determined  by  decisions  during  early  development  phases  (Roozenburg  and Eekels 1995, Charter and Chick 1997; Ritzén 2000; Hallstedt 2008). 

The increasingly competitive global economy makes it harder for companies to maintain market  share  solely  by  offering  high  quality  physical  products.  To remain competitive, companies often find it necessary to provide more services with  their  products.  It  is  often  not  so  much  the  physical  artefacts  that consumers  necessarily  demand,  but  the  services  (functions)  they  provide (Alonso‐Rasgado  et  al.  2004;  Ericson  and  Larsson  2005).  Furthermore, many products are  increasingly containing electronics and software. This  integration not only  increases the complexity of the  initial product development, but also increases  the need  for services  to support  them.  It  is often not possible  for a single company to generate such a total offer. Even though business developers and managers may have  frequent contacts with customers and  suppliers  it  is yet  almost  unheard  of  that  companies  are  able  to  create  direct  working relationships between product developers  from companies along value‐chains (Larsson  et  al.  2008).  A  mindset  focused  on  product  functions  thus  drives towards extended value‐chain cooperation among companies – the “extended” or “virtual” enterprise (VIVACE‐Project 2007).  

Today  there  are  many  overarching  methods  and  tangible  specialized  tools intended  to  take  sustainability  issues, value chains and  life‐cycle perspectives into account during product and business development. This includes life cycle assessment  (LCA),  casual  loop  diagramming  (CLD),  investment  calculus, computer aided design  (CAD), and design  for product‐service  systems  (PSS)—sometimes  called  functional product development  (FPD)  (Ericson and  Larsson 2005).  Many  of  these  tools  are  possible  because  and  strengthened  by  an increasing  sophistication  of  computer‐based  decision  support  systems  (DSS) (Alter 1980; Power 2004).  

Our  approach  to  sustainable  product  innovation  (SPI)  is  based  upon  a framework  for  strategic  sustainable  development  (FSSD)  that  incorporates backcasting  from  sustainability  principles.  The  FSSD  has  been  developed  and continues to be elaborated  in  international collaboration with researchers and practitioners  (Broman  et  al.  2000; Holmberg  and  Robèrt  2000;  Robèrt  2000; 

Page 60: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper A 

47 

Robèrt  et  al.  2002).  In  Robèrt  et  al.  (2002),  pioneers  of  several  tools  for sustainable  development  concluded  that  this  framework  is  well  suited  for structuring  other  tools,  clarifying  overlaps  and  gaps,  and  for  coordinating  an optimal use of each tool. 

To  help  practitioners work  at  both  strategic  and  operational  levels, we  have created bridging tools. These are created by scrutinizing different tools against the FSSD  to  find  synergies and gaps. Examples of  tools  include  templates  for sustainable product development (TSPD) (Ny et al. 2008) and strategic life cycle management  (SLCM)  (Ny et al. 2006). Bridging  tools can be used as part of a process referred to as a method for sustainable product development (MSPD), which  combines  the  sustainability  thinking  provided  by  the  FSSD  with  a concurrent  engineering  development  model  (Byggeth  et  al.  2007;  Hallstedt 2008). All these bridging tools (and others) are helpful when making individual decisions during  the product development process. However,  tools will be of even  greater  help  if  they  can  be  structured  in  an  SDSS  such  as  the  “design space” concept suggested by Ny et al. (2006). 

2. Objectives In this paper we present an idea for a strategic decision support system (SDSS) that should systematically: 

1. Incorporate  a  full  sustainability  perspective  to  respond  to  increasingly‐important market demands and opportunities, 

2. Provide  opportunities  to  optimize  value  chains  by  enabling  a  life‐cycle overview of the entire value chain, 

3. Support  transitioning of  traditional product  solutions  into product‐service systems focused on meeting (market and basic human) needs, and 

4. Connect operational and strategic levels in companies. 

3. Suggesting an SDSS 3.1 Theoretical Foundation 3.1.1 Sustainability through FSSD Integration To  incorporate  sustainability,  we  suggest  the  SDSS  being  structured  by  a framework  for  strategic  sustainable  development  that  provides  a  principle‐based definition of sustainability and a systematic method to identify problems and solutions by backcasting  from that definition.  In practice, based upon the MSPD,  this  integration  can  be  done  through  guiding  questions  that product/business  developers  need  to  answer  at  different  stages  in  the  PSS innovation  process.  Obtaining  an  answer may  require,  among  other  things, 

Page 61: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

48 

different  types  of  modeling  and  simulation,  including  causal  loop  diagrams linking the PSS with socio‐ecological implications. 

3.1.2 Value Chain Optimization through PSS Focus Further,  the SDSS will provide opportunities  to  identify potential benefits and challenges of shifting from a product‐centric focus to a focus on product‐service systems.  In  practice,  this  is  also  done  by  questions  that  are  presented  to product/business  developers,  who  may  answer  those  questions  by  utilizing modeling and simulation support tools. 

3.1.3 Connecting Strategic and Operational Company Levels

Additionally,  the  SDSS  interfaces  are  expected  to  be  flexible  in  design  and implementation  so  that  they  can  be  incorporated  into  business  and  product developers’  existing  decision‐making  processes.  They  will  likely  be  formed around  an  optional  built‐in  product  development  process  and  include interfaces toward increasingly specific in‐depth tools within areas like life cycle modeling, technical simulation and investment calculus. 

Referring to figure 1, multiple user  interfaces will be designed around an SDSS or “portal” to provide access to the tools necessary to support a specific type of user. A product developer  focused on detailed  technical aspects of a physical product will access  tools  that are different  than  tools accessed by a business manager  making  decisions  regarding  the  business  model  around  the  PSS. Product‐Service  questions will  guide  the  design  of  the  physical  products  and services intended to meet customer needs. Business development questions will guide the development of the business model around the PSS. An SDSS manual will communicate both how to use the portal and also the theory that underlies the  portal.  An  experience  database will  collect  and  provide  access  to  users’ experiences  so  that,  where  appropriate,  knowledge  can  be  shared  across companies,  value  chains  and  even  industries.  Specialized  tools  aid  users  in considering  specific  details  of  certain  aspects  throughout  the  innovation process, often requiring significant time or other resources. Bridging tools aid a user  in  knowing when  and  how  to  apply  specialized  tools,  as well  as  if  it  is possible  to narrow  the  specific application of  the  specialized  tool  in order  to both conserve resources and ensure that simulation results are framed within a sustainability context. An example of a bridging tool is SLCM, which focuses LCA efforts  into  areas  of  primary  concern  from  a  full  strategic  sustainability perspective (Ny et al. 2006). Experts on specialized tools are also made available to  aid  portal  users.  A  theoretical  foundation  is  created  by  bringing  together sustainable  product  innovation,  product‐service  system  innovation  and  a framework for strategic sustainable development. 

Page 62: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper A 

49 

 

Figure  1. How  a  Strategic Decision  Support  System  (SDSS)  could  link  Business  and Product‐Service  Developers with  suitable  tools  and  experts  throughout  innovation processes by building systematically upon a theoretical foundation. 

 

 

 

Page 63: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

50 

3.2 Practical Use Business/product  developers  access  the  SDSS  through  their  workstations. Depending  upon  the  stage  of  innovation,  different  guiding  questions will  be presented. When the choice of materials is relevant, guiding questions will help to choose materials that are  less  likely to be problematic from a sustainability standpoint. To answer  this question,  support  tools  (e.g.  LCA) may be helpful, though  require  substantial amounts of  time. Bridging  tools  can help  to guide the user to which specific aspects or applications of the support tools that can be used to aid in making decisions. Direct links to experts on both the bridging and  the  specialized  tools  are  also  included  (e.g.  a  product  developer  could contact  an  expert  in  SLCM  and/or  LCA).  As  guiding  questions  are  answered, those  answers  can  be  saved  for  future  reference  so  that  sometimes  lengthy investigations need not be repeated. 

A user will have access to both a public and a company‐specific component. The public component will  interact with a network of users from other companies and it will offer several services, such as: 

1. Guidelines on how to use the tools and services available through the public component. 

2. Reports  on  strengths  and  challenges  of  certain  established methods and  tools and hands‐on guidelines  for how  they  can be helpful when the FSSD is used to support sustainable product innovation. 

3. Generic questions that guide users in considering sustainability aspects throughout the innovation process. 

4. Newly  developed  methods  and  tools  that  are  integrated  “bridges” between    the  FSSD  and  the  established methods  and  tools,  helping users  to start  from  the sustainability overview  that  the FSSD provides before, if needed, going into more detailed studies. 

5. Links  to  a  network  of  experts  and  institutions  that may  give  further support and background information on each method and tool. 

6. A  “global”  experience  library  or  database which  collects  experiences from all companies and experts on experiences from using the methods and tools of the SDSS. 

The  company‐specific  component  is  expected  to  contain  local  applications of the SDSS solution, including: 

1. Guidelines on using the company‐specific aspects of the SDSS. 2. Guiding  questions  that  support  users  in  considering  sustainability 

aspects throughout the innovation process that are customized for the company.  

Page 64: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper A 

51 

3. Company‐specific tools that are contextualized by the SDSS. 4. A library containing experiences shared only within the company. 

3.3 Discussion 3.3.1 Challenges Intellectual property rights and traditional business models provide barriers for optimization  across  a  value‐chain.  This means  that  the  reluctance  to  share detailed  product  information with  other  companies may  hinder  total  value‐chain optimization. This could be dealt with through, among other things, new methods to support a clearer distinction between what information that can be shared and what needs to remain confidential. 

In addition to knowing what content to share, there is a technical challenge of sharing that information across multiple computer systems among many actors in a value chain. The field of knowledge enabled engineering aims to deal with such  issues  (Bylund  et  al.  2004)  and  therefore  could  be  helpful  in  the development of SDSS. 

The  intent  is  to make  the  SDSS  general  enough  to  be  broadly  applicable  to industry  at  large  but  still  adaptable  to  specific  company  needs.  Such  needs include  interfacing  with  local  technology  systems,  e.g.,  computer  aided design/computer  aided manufacturing,  accounting  and  customer  relationship management systems.  We intend to work with several case studies in order to be exposed to multiple working environments and thereby gaining experience from which to derive generic approaches for the SDSS that could be applied  in any company. We have experience from using this approach when developing the generic MSPD (Byggeth et al. 2007). In this case the FSSD was incorporated in a generic concurrent engineering development model and tested  in several companies. 

3.3.2 Opportunities

We  believe  effective  application  of  SDSS  could  significantly  aid  in  optimizing value  chains  by  supporting  decision‐makers  in  taking  a  full  value‐chain perspective throughout the  innovation process, (e.g. through waste reduction, selection of materials with less end‐of‐life consequences or expenses, etc.). 

In addition, the whole‐system perspective gained through using the SDSS could enable decision‐makers  to  early on  identify potential market  changes due  to sustainability‐related issues (e.g. increasing water demand, increasing oil prices, climate change legislation, etc.) with the benefits of anticipating/avoiding costs, gaining market share, or major  investments  that are not suitable  for  the  long term. Moreover, specialized tools are often time and/or resource  intensive, so 

Page 65: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

52 

the suggested bridging tools are focused on providing guidance on where and how the specialized tools can provide the most benefit. 

Furthermore,  the  SDSS  concept  inherently  connects  the  strategic  and operational levels within a company by offering tailor‐made interfaces that are based  upon  the  same  foundational  concepts  to  both  business developers/managers and traditional product developers. 

3.3.3 Further work

We expect implementation of the SDSS concept to start with an overview study of  existing  tools  and methods  for  sustainability  integration  (steps  1  and  2  in figure 2) and onsite case studies with product developers and business‐related decision‐makers  in  companies  (steps  3‐5).  The  case  studies  will  include identifying the gap between the company’s current DSS and an envisioned SDSS and  then  identify ways  to close  that gap. From  these  specific experiences we will draw generic guidelines for how other companies could implement an SDSS (step 6 in Figure 2). 

Page 66: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper A 

53 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figure 2: Iterative research approach & expected results. 

Case Study ‐Co

mpany n

Inno

vatio

nsNew

 business ide

as & PSS  improvem

ents

6. Analyze, 

dev. portal &

 integrate into 

working

 env.

Case Study ‐Co

mpany 2

Case Study ‐Co

mpany 1

3. M

apcurren

tmetho

ds/too

ls4. Develop

portal con

tent

5. Run

coord. te

st simulations

2. Challenge 

validation

Decisio

n supp

ort p

ortal

‐Manuals for e

ducatio

n& coo

rdination

‐MergedSPI and

 PSSI dev. process m

odels

‐Guide

lines/brid

ging

tools

‐Adapted

specifictools

1. Lite

rature 

stud

y

Case Study ‐Co

mpany n

Inno

vatio

nsNew

 business ide

as & PSS  improvem

ents

6. Analyze, 

dev. portal &

 integrate into 

working

 env.

Case Study ‐Co

mpany 2

Case Study ‐Co

mpany 1

3. M

apcurren

tmetho

ds/too

ls4. Develop

portal con

tent

5. Run

coord. te

st simulations

2. Challenge 

validation

Decisio

n supp

ort p

ortal

‐Manuals for e

ducatio

n& coo

rdination

‐MergedSPI and

 PSSI dev. process m

odels

‐Guide

lines/brid

ging

tools

‐Adapted

specifictools

1. Lite

rature 

stud

y

Page 67: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

54 

4. References Alonso‐Rasgado,  T.,  G.  Thompson  and  B.‐O.  Elfström  (2004).  "The  design  of 

functional  (total  care)  products."  Journal  of  Engineering  Design  15(6): 515‐540. 

Alter,  S.  (1980).  Decision  Support  Systems:  Current  Practice  and  Continuing Challenges. Reading, MA, USA, Addison‐Wesley. 

Broman,  G.,  J.  Holmberg  and  K.‐H.  Robèrt  (2000).  "Simplicity  Without Reduction:  Thinking  Upstream  Towards  the  Sustainable  Society." Interfaces 30(3): 13‐25. 

Byggeth, S. H., G. I. Broman and K. H. Robert (2007). "A method for sustainable product development based on a modular system of guiding questions." Journal of Cleaner Production 15(1): 1‐11. 

Bylund, N., O. Isaksson, V. Kalhori and T. Larsson (2004). Enhanced engineering design practice  using  knowledge enabled  engineering  with simulation methods.  Proceedings  of  Design  2004,  8th  International  Design Conference, University of Zagreb, Croatia. 

Charter, M. and A. Chick  (1997). "Welcome  to  the  first  issue of  the  journal of sustainable product design."  Journal of Sustainable Product Design 1(1): 5‐6. 

Ericson, Å. and T. Larsson (2005). A Service Perspective on Product Development – Towards Functional Products. 12th International Product Development Management Conference, Copenhagen, Denmark, Product Development & Management Association (PDMA). 

Hallstedt,  S.  (2008).  A  Foundation  for  Sustainable  Product  Development. Doctoral  Dissertation.  Department  of  Mechanical  Engineering. Karlskrona, Sweden, Blekinge Institute of Technology.  

Holmberg,  J.  and  K.‐H.  Robèrt  (2000).  "Backcasting  from  non‐overlapping sustainability  principles‐‐a  framework  for  strategic  planning." International Journal of Sustainable Development and World Ecology (7): 291‐308. 

Larsson,  A.,  T.  Larsson, O.  Isaksson  and  N.  Bylund  (2007).  Rethinking  virtual teams  for  streamlined  development.  In  Higher  creativity  for  virtual teams: developing platforms  for  co‐creation. Hershey, USA,  Idea Group Publishing. 

Ny,  H.,  S.  Hallstedt,  K.‐H.  Robèrt,  G.  Broman  and  J.  P.  MacDonald  (2008). "Introducing  templates  for  sustainable product development  through a case  study  of  televisions  at  Matsushita  Electric  Group."  Journal  of Industrial Ecology 12(4): 600‐623. 

   

Page 68: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper A 

55 

Ny,  H.,  J.  P. MacDonald,  G.  Broman,  R.  Yamamoto  and  K.‐H.  Robèrt  (2006). "Sustainability constraints as system boundaries: an approach to making life‐cycle management strategic." Journal of Industrial Ecology 10(1): 61‐77. 

Power,  D.  J.  (2004).  "Specifying  an  Expanded  Framework  for  Classifying  and Describing  Decision  Support  Systems."  Communications  of  the Association for Information Systems 13(1): 13. 

Ritzén, S.  (2000).  Integrating environmental aspects  into product devlopment: proactive  measures.  Doctoral  Dissertation.  Department  of  Machine Design. The Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden. 

Robèrt, K.‐H. (2000). "Tools and concepts for sustainable development, how do they relate to a general framework for sustainable development, and to each other?" Journal of Cleaner Production 8(3): 243‐254. 

Robèrt, K.‐H., B. Schmidt‐Bleek,  J. Aloisi de Larderel, G. Basile,  J. L.  Jansen, R. Kuehr,  P.  Price  Thomas,  M.  Suzuki,  P.  Hawken  and  M.  Wackernagel (2002).  "Strategic  sustainable  development  ‐  selection,  design  and synergies of applied tools." Journal of Cleaner Production 10(3): 197‐214. 

Roozenburg, N. F. M. and  J. Eekels  (1995). Product Design: Fundamentals and Methods. Chichester, England, John Wiley & Sons Ltd. 

VIVACE  Project  (2007).  VIVACE:  Value  Improvement  through  a  Virtual Aeronautical Collaborative Enterprise. http://www.vivaceproject.com/. 

Page 69: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

56 

 

Page 70: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper B 

57 

Paper B

Decision Support Tools for Sustainability in Product Innovation

in a few Swedish Companies  

   

Page 71: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

58 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Paper B is accepted to ICoRD as: 

Thompson, A. W., P. Lindahl, S. Hallstedt, H. Ny and G. Broman (2011). Decision Support Tools for Sustainable Product Innovation in a few Swedish Companies. 3rd  International  Conference  on  Research  into  Design  (ICORD).  Centre  for Product Design and Manufacturing. Bangalore, India. 

Page 72: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper B 

59 

Decision Support Tools for Sustainability in Product Innovation in a few Swedish Companies

 

Thompson, A. W., P. Lindahl, S. Hallstedt, H. Ny and G. Broman 

 

 

Abstract:  

Companies  are  finding  that  customers  increasingly  demand  “sustainable products” while also noticing economic benefits  from eco‐efficiency and other sustainability‐related  design  approaches.  Employees  making  product‐related decisions need support tools to incorporate sustainability considerations – both at strategic (e.g. regarding product lines to develop) and operational levels (e.g. detailed design). This paper presents  the  results  from a  set of  interviews  that explored where and how sustainability considerations are taken into account in the  product  innovation  processes  of  six  Swedish  companies.  Results  are presented as a map of  the overall company operations  in relation  to a generic product innovation model, followed by a map of the places where sustainability considerations  are made  in  that model.  Some  of  the  tools  that  are  used  to support  those  sustainability  considerations  are  also  briefly  described.  The conclusion  is  that  there  are  some,  but  not  sufficient,  tools  and methods  to support inclusion of sustainability aspects in the product innovation processes of these companies. 

Keywords: Sustainability, product development, innovation, tools  

Page 73: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

60 

1. Introduction 1.1 Sustainability Challenges and Product Innovation The  major  global  sustainability  challenges  now  facing  society,  e.g.,  climate change, access to potable water, biodiversity loss, etc. provide cause for major concern with  the  long‐term  viability  of  human  society  (Steffen  et  al.  2004). Product  innovation  is  a  particularly  critical  intervention  point  for  the transformation  of  society  towards  sustainability.  Current  socio‐ecological impacts  over  product  life‐cycles  are  evidence  that  current  practices  are insufficient. Previous studies have focused on environmental aspects in product development (e.g. Wenzel et al. 1997, Mazwell and van der Vorst 2003, Simon et al. 2000, Byggeth and Broman 2000, Baumann et al. 2002, and Steen 1999), including case studies with companies  in Sweden (e.g. Andersson and Ohlsson 1999, Tinsgtröm et al. 2006). This study differs in two ways from these studies: first, by utilizing  an  alternative  approach  to  sustainability  considerations  that extends beyond a  focus on known environmental  issues  (presented  in section 1.2), and second, by using a general model of the product innovation process to identify  where  in  the  product  innovation  process  sustainability  aspects  are considered (presented in section 1.3). 

1.2 A Framework for Strategic Sustainable Development

This  study uses  a  framework  for  strategic  sustainable development  (FSSD)  to provide an underlying framework to keep the ultimate goal of socio‐ecological sustainability  in  focus.  This  FSSD  emphasizes  that  for  human  society  to  be sustainable,  it  should  stop  systematic destruction of  the ecological and  social systems that  it depends upon (Broman et al. 2000; Missimer et al. 2010). This differs  from  some  other  working  definitions  of  sustainability,  which  often suggest that “less bad is sustainable,” e.g. products that use less energy or less water or emit  less CO2 are “sustainable products”  (Glavic and Lukman 2007). This FSSD‐based sustainability perspective has previously been  integrated  into product  development  procedures  and  processes  (e.g.  Byggeth  and  Broman 2000, Hallstedt 2008) and one study incorporates the FSSD’s basic principles for socio‐ecological  sustainability  into  the main  steps  of  life  cycle  assessment  to then support product development (Andersson et al. 1998). 

1.3 A Product Innovation Model This  study  uses  a  model  of  a  generic  product  innovation  process  from Roozenburg  and  Eekels  (1995)  (see  Figure  1)  to  guide  the  interviews.  This model distinguishes between product development and  innovation,  such  that product development  is part of – but not the entire –  innovation process. This 

Page 74: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper B 

61 

model  also  distinguishes  processes  from  the  result  of  the  processes. When exploring where  tools  are  used,  this model  helped  to  differentiate  between process‐oriented  tools  (i.e.  tools  used  during  a  process)  and  assessment  or analysis  tools  (tools  used  to  assess  the  outcome  after  a  process  has  been completed).  

1.4 Study Purpose This study addressed the question: how and where is sustainability considered in  the product  innovation process at some different companies? Results  from this  study  contribute  to  an  initial  descriptive  phase  of  an  ongoing  project described in (Ny et al. 2008), and will be used to inform opportunities to better: 1)  incorporate  sustainability  into  the  product  innovation  process,  2)  connect strategic and operational levels in companies, and 3) develop specific methods and  tools  to  support  the  previous  two  points.  This  study  is  guided  by  the extensive  literature study by Baumann et al. (2002), specifically with regard to how  management,  environmental,  and  product  innovation  issues  are integrated, as well as where in the product innovation process various tools are used to consider both management and engineering perspectives. 

2. Research Approach 2.1 The Companies Six companies that were interviewed for this study: 

(A) A producer of  light  tubes  that  last  about  four  times  longer  than  average tubes. The company has approximately 200 employees and an annual turnover of  €40M. One  product  engineer  and  the  environment/quality manager were interviewed 

(B)  A  manufacturer  of  compaction  machines  with  approximately  800 employees  and  an  annual  turnover  of  €230M.  The  product  development manager was interviewed. 

(C)  A  company  that  develops,  manufactures,  and  sells  adaptable  sealing solutions for sealing around cables or pipes that pass through walls. They have approximately  450  employees  and  an  annual  turnover  of  €95M.  The environmental manager and two product developers were  interviewed at this company. 

(D) A recycler of electronic materials with approximately 150 employees and an annual turnover of €22M. The plant manager was interviewed. 

(E)  A  product  /  technology  development  support  company  that  has  around 4000 employees. Four people were  interviewed: Environmental Manager and 

Page 75: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

62 

Feature  Specialist,  Feature  leader  for  the  Environment  and  Fire  Safety, Purchasing Director, Product Development Manager 

(F) A producer of jet engine components that has around 2300 employees and an  annual  turnover  of  around  €465M.  One  project  manager,  one  product development  engineer,  and  the  environmental  impact  specialist  were interviewed. 

2.2 The Interviews Between  one  and  four  people  working  with  product  innovation  or environmental  management  systems  were  interviewed  at  each  of  the  six companies. An  interview guide with three sections was used to perform semi‐structured  interviews. The questions  in  that  interview guide were  sent  to  the interviewees  two weeks  prior  to  the  interviews.  Four  researchers  from  BTH were  involved  in  these  interviews, with  between  one  and  three  involved  in each interview. The sections were as follows: 

i) Company Product Innovation Processes Compared to the Model: Using the Roozenburg and Eekels diagram of  the product  innovation process  (shown  in Figure 1), a comparison was made between where the company is working and where  the company  is  including sustainability. First,  it was determined where the company sees  itself working within  that diagram, e.g.  is  it mainly  focused on  product  development  (without  production),  is  it  mainly  focused  on production (without the development), or does  it focus somewhere else? This is presented in section 3. 

ii) Where  Sustainability  is  Considered  in  the  Company’s  Process: Where, with regard to the innovation model, are sustainability‐related decisions taken? (presented  in  section  4),  and what  sustainability‐related  tools  are  used,  and where are they used? (presented in section 5). 

iii)  Sustainability‐Related  Opportunities:  Where,  with  regard  to  the innovation  model,  do  the  interviewees  feel  that  additional  tools  would  be helpful,  or  where  should  additional  decisions  be  taken  with  regards  to sustainability considerations? (presented in section 6). 

3. Company Product Innovation Processes Compared to the Model

Primary  activities  in  four  of  the  companies  (A,B,C,F)  essentially  covered  the entire  innovation diagram,  i.e. each of  these processes at  the  companies are addressed in the daily work. This is represented by the shaded area in Figure 1. The other  two  companies  (D,E) had more  targeted  areas  in daily operations. One is primarily a technology development company (E) and does not produce 

Page 76: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper B 

63 

any physical products; this is indicated by the dotted line in Figure 1. Company (D)  works  with  electronic  waste,  and  as  such  is  not  involved  in  product innovation, though the company does have  its own production plan regarding how to process the electronic waste. 

Interviewees  generally  agreed  that  the  Roozenburg  and  Eekels model was  a good  enough  generic  representation  of  their  processes.  One  modification suggested  by  several  of  the  companies  was  that  “Product  designing”  and “Marketing  planning”  often  have  a  significant  influence  on  “Generating  and selecting ideas”, so there could be a link back to that box. 

 

Figure 1: Operational activities at the participating companies mapped onto a generic product  innovation  diagram  (adapted  from  Roozenburg  and  Eekels  1995).  Four companies (A,B,C,F) work in the shaded areas, while one (E) focuses in the area of the dotted line and another (D) focuses in the area of the dashed line. 

4. Where Sustainability Aspects are Considered All  six  companies  have  a  sustainability  aspect  that  plays  a  significant  role  in their  product  policy,  as  will  be  described  in  4.1.  However,  none  of  these companies  incorporated  tools  or  decisions  that  suggested  they  include  a strategic  sustainability perspective  in  their  complete process  (i.e. a  conscious step‐by‐step approach towards eliminating its contribution to global social and ecological un‐sustainability while improving its competitiveness). 

 

Page 77: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

64 

4.1 Policy Formation All  five of  the companies  that had daily activities  in  the policy  formation area (A,B,C,E,F)  had  something  in  their  product  policy  related  to  improving  the sustainability  performance  of  their  products.  For  example,  Company  A’s product  inherently has an attribute  that  is generally considered positive  from an environmental perspective: it is designed for long life times, so that fewer of the  light  tubes  and  thus  the  life  cycle  activities  associated with  production, transport, end‐of‐life, etc. are used. Company B has a strong focus on reducing energy use in their machines. Company C develops “sealing solutions” that are intended  to  improve  safety and efficiency of  the  structures  they are used  in. Company E has 32 product  features  that must be addressed  for  the products they  develop;  five  of  these  are  specifically  focused  on  sustainability‐related issues.  Company  F  has  a  strong  emphasis  on  reducing  component weight  in recognition  that  the  lighter  their  components  are,  the  less  fuel  the  airplanes will require. 

In addition,  two of  the  companies  (E,F) have  “environmental  care” as one of their  three  core  values.  While  it  is  not  clear  how  this  affects  the  product innovation  process,  these  core  values  were  repeated  multiple  times  by interviewees when they were asked about sustainability. They also stated that they  have  environmental  issues  in  their minds  during  their  daily  work,  and suggested that is largely influenced by these core values. 

4.2 Idea Finding Companies  used  the  sustainability  aspects  from  their  product  policies  as inspiration  for  idea  finding. For example,  long‐life,  light‐weight, or  low energy use over  the  life  cycle were motivating  factors  in  the generation/selection of ideas, and in the assessment of new business ideas. It was not clear, however, if or  how  a  more  comprehensive  or  strategic  sustainability  perspective  was explicitly  included  in any of  the  companies during  idea  finding, either  for  the generation of new ideas or for the evaluation of ideas. 

4.3 Strict Development There was consistently good alignment between product policy and  the strict development phase  for  those sustainability considerations  that were  included in the policy formation phase, i.e. if something was stated in the product policy, it was taken into account in some way during the development phase. Similarly, if something was lacking in the product policy, it was not likely to be considered in the development process. In short, sustainability aspects were not added for the first time in the development phase. 

 

Page 78: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper B 

65 

4.4 Realization (Production, Distribution, and Sale) All  companies  have  an  environmental management  system  (EMS),  which  is typically  focused on  facilities and operations management during production. Several  companies  also  stated  that  they  considered  impacts  outside  of  their own  facilities,  such as  the distance between  suppliers and  their own  facilities when  choosing  suppliers  in an effort  to  reduce  transports  for both economic and environmental reasons. 

Social aspects of sustainability were often mentioned here, also, with regard to the  company’s  own  production  facilities,  e.g. worker  exposure  to  hazardous emissions, high noise  levels, or ergonomically unfriendly  conditions. With  the two  larger  companies  (E,  F),  there was  explicit  reference  to  also  considering working conditions at their suppliers. 

4.5 Realization (Use) All of the companies  in this study had a  life cycle perspective of their product that included the use phase, thus they saw value in improving the sustainability performance  of  their  product  during  its  use  phase  even  though  the  product would  no  longer  be  in  the  company’s  possession.  At  the  same  time,  the sustainability aspects that companies considered were usually partially aligned with  other  considerations  in  the  process,  primarily  legislation  and  cost.  For example, fuel efficiency is a significant consideration when developing products at  several  companies both  to  comply with  legislation and  to  lower operating costs  for  their  customers.  Of  course,  fuel  efficiency  is  also  commonly considered a sustainability aspect. 

One of the companies (E) had done a significant amount of work to determine the  life cycle environmental  impacts of  their product, and had  taken  steps  to develop  key  indicators  to  address  the  major  environmental  impacts.  This resulted  in five features that were  included  in the overall 32 product features that were  set  for each development project. The other  companies had made educated estimations of sustainability impacts across their products’ life cycles, though  they  seemed  less  thorough  in  their  identification  of  the  key sustainability impacts. 

5. Tools to Support Sustainability Considerations Here  tools are  listed  that were  identified during  this study, along with a brief description  of  how  they  were  being  used.  During  these  interviews,  the interviewees showed relatively  limited tools or decision support  in the area of social  sustainability.  Additional  tools  are  used  for  other,  though  sometimes related,  purposes;  e.g.  prioritization  matrices,  computer‐aided  design  (CAD) 

Page 79: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

66 

and  other  simulation  tools,  etc.  Focus  here  is  on  those  tools  that  are more directly and distinctly connected to sustainability. 

5.1 Material Lists All  of  the  companies  had  some  type  of  guidance  for material  choices  in  the form of a  list. These  lists were typically based on substance  lists directly  from legislation  such  as  Registration,  Evaluation,  Authorisation  and  Restriction  of Chemicals  (REACH)  and  customized  specifically  for  the  company.  They  often took the form of lists of “banned substances” that should not be used at all and a list of “substances to avoid” that should only be used in special circumstances or with the  intent of phasing the substance out. Sometimes these  lists applied only to substances that would be used in products, and other times these lists applied also to substances that might be used in the production process. Other material lists include PRIO – a web‐based tool developed and maintained by the Swedish Chemicals Agency –  to work  toward  reducing  risks  to human health and the environment. Companies also stated that they often must comply with requests from customers to not use particular substances. Nearly always, these material  lists were  used  in  product  designing  and  often  also  for  verification after the product design was finalized. 

5.2 Environmental Management System (EMS) All of  the  interviewed companies had an Environmental Management System (EMS)  following  ISO  14001.  The  EMSs were mainly  used  in  connection with production  to  structure  and  organize  the  companies’ work  regarding  known environmental  impacts  like  reduction  of  emissions,  substitution  of  chemical, and reduction of transport.  

5.3 (Product-based) Environmental Impact Assessment (EIA)

Three  of  the  six  companies  (C,E,F)  used  Environmental  Impact  Assessments (EIA)  to  assess  their  products’  environmental  impacts.  These  EIA  tools were company  specific,  and  vary  somewhat  in  complexity  and  completeness with regard to both environmental impacts that were considered, and to the extent that  the  product’s  life  cycle  activities were  addressed.  Common  among  the companies  is  that  the  EIA was mainly  used  late  in  the product  development process to assess already developed concepts or products where many design decisions had already been  taken. Thus,  the  tool was  in  the “product design” circle of the product  innovation model  (and not the “product designing” box), and  had  relatively  little  impact  on  the  development  of  the  current  product. Learning from the EIA, however, was sometimes utilized  in significant ways to innovate in future development projects. 

Page 80: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper B 

67 

5.4 Life Cycle Assessment (LCA) Two companies (E, F) have in their product development process the option to conduct  an  LCA  on  their  products  after  they  are  designed  in  order  to  verify environmental performance. Two other companies  (A,B) do not currently use LCA , but would like to explore its use for comparing new products with existing or  older  products  to  ensure  that  newer  products  do  have  an  improved environmental performance or  in order to have a better understanding of the relative environmental  impacts of  various  aspects of  their product. Company (C)  expressed  interest  in  LCA‐like  approaches  to  better  understanding  the environmental  consequences of  their product, but were mostly  interested  in the life cycle approach, not LCA specifically. 

6. Sustainability-related Opportunities Interviewees were asked about the sustainability‐related gaps that they saw in their companies; this section presents a summary of their responses. 

6.1 Use of an LCA-based Tool Three companies (A,B,C) expressed an interest in having an LCA‐based tool that would enable  them  to quantitatively compare product concepts, as well as  to compare  existing  products with  new  products  to  see  if  they  have  improved sustainability  performance.  As  noted  above,  two  of  the  companies  were already using LCA tools. 

6.2 More Information about Early Life Cycle Stages of Materials

There  is a need  for more data  regarding  the sustainability  impacts  from early life cycle stages of materials. A distinction can be made between general data regarding sustainability  impacts for a type of material (e.g. aluminum requires X% more energy than steel to produce) and specific data from a company’s own supply chain. While access to and use of this information varied greatly among these six companies, all were interested in having more data. 

6.3 Clearer Guidance During Idea Generation Understanding that the only concepts that can be developed are those that are thought of during idea generation, one interviewee suggested that it would be helpful to have more sustainability‐focused thinking during the idea generation. Interviewees at other companies echoed this to greater or lesser extents. 

 

 

Page 81: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

68 

6.4 Support in Connecting Sustainability Aspects to “The Bottom Line”

Though  suggested  in different ways by different companies,  there  is clearly a need  for  evaluating  how  the  consideration  of  sustainability  aspects  during product innovation can influence the economic success of the company. To one company  (C)  this meant  showing  how  a  focus  on  sustainability  issues  could directly  reduce  costs or  lead  to  improved efficiency and production. Another company  (B)  talked  about  this  with  regard  to  the  cost  of  operating  their product, with the explicit assumption that if they could show reduced life cycle costs, this would lead to more success for the company. 

6.5 Life Cycle Consideration of Other Impacts of Substances

The electronics recycling company  (D) pointed out that many companies have lists  that  guide  substance  selection,  and  that often  those  lists  are directly or indirectly based  largely upon  known environmental  impacts. The  interviewee said that there are other substances that might not be toxic, but that they can cause  other  “problems”  in  the  material  life  cycles,  e.g.  with  regard  to  the recyclability of other materials. He suggested that material guidance lists could be  adapted  so  that  they  guide  toward  the  use  of materials  that  have more favorable life cycle attributes, e.g. are more easily recycled. 

7. Discussion Most  of  the  decision  processes  and  tools  described  by  the  companies were based upon known environmental  impacts. In some ways this  is considered to be the most practical, i.e. why worry about something if it is not known to be a problem? On the other hand,  increasing dependency on technologies that are not known to be ‘safe’ can lead to future problems (Byggeth and Hochschorner 2006). For example, the material  lists used by the companies  in this study are mainly  intended  to  avoid  using  materials  that  have  known  environmental impacts and materials that are prohibited by legislation. Material  lists that can be  used  for  sustainability  considerations  also  could  consider  other  socio‐ecological  aspects,  e.g.  material  scarcity,  working  conditions  for  people involved  in  the material’s  life cycle, and more directly: materials  that are not currently known to cause problems, but are also not known to be ‘safe’. In line with  the above‐mentioned FSSD, a precautionary approach  is more  strategic, especially  given  the  rapid  development  and  increasing  pace  at  which  new technologies  are  implemented  and  this  necessitates  ensuring  that  today’s solutions do not lead to future problems. 

Page 82: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper B 

69 

Identification  of  key  sustainability  features  in  product  requirements  is  an example of how to insert the sustainability aspects in an operational way. One of  the  six  companies  (E)  has  undergone  a  rigorous  process  to  identify  key sustainability  features  that  it can  then  include at  the  requirements  level. This process  was  specifically  focused  on  identifying  sustainability  features,  and resulted  in five features that  insert the sustainability aspects  in an operational way  into  the workspace of  the designers  and  engineers.  These  requirements must  be  set  and  met  during  product  development.  Several  of  the  other companies  have  included  sustainability‐related  aspects  at  the  product  policy level. This often translates  into one (possibly more) specific requirements that also come into the workspace of the designers and engineers. With these other companies,  the  selection  of  these  key  aspects  at  the  product  policy  level appears to be  less rigorous from only a sustainability perspective, and  instead more  of  a  combination  of  what  is  perceived  to  be  good  for  both  socio‐ecological sustainability and economically  for  the company and  its customers. This  is  not  to  say  that  one  approach  is  better,  but  only  to  acknowledge  a different approach and raise the question for possible further exploration. 

There  are  opportunities  for  knowledge  and  experience  from working with  a company’s  environmental  management  system  (EMS)  to  support  product innovation,  e.g.  to  inform  material  and  process  selection  during  product development.  EMSs  are  often  in  place  in  order  to  ensure  compliance  with legislation  regarding  substance  use  and  handling,  and  these  systems  are reviewed periodically in order to ensure that the company keeps the certificate.  

All of  the companies,  to a greater or  lesser extent, use a  forecasting mindset that  suggests  that  the  main  negative  environmental  impacts  should  be identified  and  reduced.  This  is  a  good  approach  when  there  are  significant opportunities with “low‐hanging fruit” – opportunities for major environmental improvement in the short term. However, a different approach is needed when these “low‐hanging fruit” have been “harvested” and it is desirable to continue to advance the way in which sustainability is used to drive innovation. In order to continue to find significant sustainability improvements, it is possible to use the FSSD approach to look to different system levels and explore opportunities for optimization and innovation. These opportunities bring new challenges with regard to how companies collaborate across value chains. 

Using a general model of the product innovation process to map where various tools  or  methods  are  actually  used  to  consider  sustainability  aspects  in company  processes  is  expected  to  aid  in  the  continuation  of  this  research project with its aims as described in section 1.4. 

 

Page 83: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

70 

8. Conclusions This  study maps  sustainability  considerations  of  six  companies  on  a  general model  of  the  product  innovation  process,  and  shows  how  all  six  companies have taken steps to consider sustainability aspects through the tools used and decisions  taken during  their product  innovation processes. However,  there  is significant  opportunity  to  better  incorporate  tools  and  decisions  that demonstrate a strategic sustainability perspective throughout the process that will  allow  for  an  intentional  step‐by‐step  approach  towards  eliminating  its contribution  to  global  social  and  ecological  un‐sustainability while  improving the company’s competitiveness. 

9. References Andersson, K., M. H. Eide, U. Lundqvist and B. Mattsson (1998). "The feasibility 

of  including  sustainability  in  LCA  for  product  development."  Journal  of Cleaner Production 6(3‐4): 289‐298. 

Andersson,  K.  and  T.  Ohlsson  (1999).  "Including  Environmental  Aspects  in Production  Development:  A  Case  Study  of  Tomato  Ketchup." Lebensmittel‐Wissenschaft und‐Technologie 32(3): 134‐141. 

Baumann,  H.,  F.  Boons  and  A.  Bragd  (2002).  "Mapping  the  green  product development  field:  engineering,  policy  and  business  perspectives." Journal of Cleaner Production 10(5): 409‐425. 

Broman,  G.,  J.  Holmberg  and  K.‐H.  Robèrt  (2000).  "Simplicity  Without Reduction:  Thinking  Upstream  Towards  the  Sustainable  Society." Interfaces 30(3): 13‐25. 

Byggeth,  S.  and  G.  Broman  (2000).  Environmental  Aspects  in  Product Development  ‐  an  Investigation  among  Small  and  Medium  Sized Enterprises. International Symposium on Intelligent Systems for Advanced Manufacturing,  Environmentally  Conscious  Manufacturing  (RB12). Boston, Society of Photo‐Optical Instrumentation Engineers: 261‐271. 

Byggeth, S. and E. Hochschorner (2006). "Handling trade‐offs in Ecodesign tools for  sustainable  product  development  and  procurement."  Journal  of Cleaner Production 14(15‐16): 1420‐1431. 

Glavic,  P.  and  R.  Lukman  (2007).  "Review  of  sustainability  terms  and  their definitions." Journal of Cleaner Production 15(18): 1875‐1885. 

Hallstedt,  S.  (2008).  "A  Foundation  for  Sustainable  Product  Development." Doctoral Dissertation. Department of Mechanical  Engineering, Blekinge Institute of Technology, Karlskrona, Sweden. 

Maxwell, D. and R. van der Vorst (2003). "Developing sustainable products and services." Journal of Cleaner Production 11(8): 883‐895. 

  

Page 84: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper B 

71 

Missimer, M., K.‐H. Robèrt, G. Broman and H. Sverdrup  (2010). "Exploring the possibility of a systematic and generic approach to social sustainability." Journal of Cleaner Production 18(10‐11): 1107‐1112. 

Ny,  H.,  A. W.  Thompson,  P.  Lindahl,  G.  Broman,  O.  Isaksson,  R.  Carlson,  T. Larsson and K.‐H. Robert  (2008).  Introducing Strategic Decision Support Systems for Sustainable Product‐Service Innovation Across Value Chains. Sustainable  Innovation 08: Future products,  technologies and  industries. The Centre for Sustainable Design. Malmö, Sweden.  

Roozenburg, N. F. M. and  J. Eekels  (1995). Product Design: Fundamentals and Methods. Chichester, England, John Wiley & Sons Ltd. 

Simon, M., S. Poole, A. Sweatman, S. Evans, T. Bhamra and T. McAloone (2000). "Environmental  priorities  in  strategic  product  development."  Business Strategy and the Environment 9(6): 367. 

Steen, B. A Systematic Approach to Environmental Priority Strategies in Product Development  (EPS):  Version  2000  –  General  System  Characteristics,  in CPM Report  1999:4, Centre  for  Environmental Assessment of  Products and  Material  Systems  (CPM)  Chalmers  University  of  Technology: Gothenburg, Sweden. 

Steffen, W., A. Sanderson,  J.  Jäger, P. D. Tyson, B. Moore  III, P. A. Matson, K. Richardson,  F.  Oldfield,  H.‐J.  Schellnhuber,  B.  L.  Turner  II  and  R.  J. Wasson,  Eds.  (2004).  Global  Change  and  the  Earth  System:  A  Planet Under Pressure. IGBP Book Series. Heidelberg, Germany, Springer‐Verlag. 

Tingström, J., L. Swanström and R. Karlsson (2006). "Sustainability management in  product  development  projects  ‐  the  ABB  experience."  Journal  of Cleaner Production 14(15‐16): 1377‐1385. 

Wenzel,  H., M.  Hauschild  and  L.  Alting  (1997).  Environmental  assessment  of products.  Vol.  1,  Methodology,  tools  and  case  studies  in  product development. London, Chapman & Hall. 

Page 85: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

72 

 

Page 86: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper C 

73 

Paper C

Success with Sustainability Constraints through

Systems Modeling and Simulation: The Case of Waterjet Cutting

   

Page 87: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

74 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Paper C is submitted for publication as: 

Ny, H., A. W. Thompson, K.‐H. Robert, G. Broman, H.V. Hardaldsson, D. Koca, and  H.  Sverdrup.  Success  within  Sustainability  Constraints  through  Systems Modeling and Simulation: The Case of Waterjet Cutting. 

   

Page 88: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper C 

75 

Success within Sustainability Constraints through Strategic Systems Modeling and Simulation

-The Case of Waterjet Cutting-

Ny, H., Thompson, A., Robèrt K.‐H., Broman, G,  Haraldsson, H.V., Koca, D. and Sverdrup, H.  

 

 

Abstract A Framework for Strategic Sustainable Development (FSSD) has previously been developed  to  frame  strategic  planning  as  a  stepwise  approach  towards  a rigorously principled definition of sustainability. Experience has shown that this framework often suffices for the guidance of quite complex decisions. In other cases,  aspects  that  surface when  the  FSSD  is  applied may  be  interrelated  in complex webs of  feedback  loops and delays  leading  to difficulties  to optimize optional  investments and routes towards sustainability. To that end, modeling with or without numerical analyses, may be needed.  

This article  investigates  the  theory of  complementing  the FSSD with  ‘systems modeling and simulation’ (SMS) tools from systems analysis, system dynamics, agent based and discrete event modeling. We use a case—waterjet cutting—to assess  the practical  feasibility  along  the  FSSD planning process. The  resulting new  planning  approach  is  named  ‘Systems  modeling  and  simulation  within sustainability constraints’.  It frames the planning by  identifying critical current practices  in  relation  to  a  principle‐based  goal  of  global  socio‐ecological sustainability, long term solutions and visions, and guidelines for strategic step‐by‐step approaches. SMS  tools are applied as needed  throughout  the process to study  tradeoffs and  interrelationships between  listed  items  to create more robust and refined analyses of the problems at hand, as well as of the possible solutions and investment paths. The result is promising in that it shows a clear way forward for the  integration of two powerful concepts of systems thinking that  are  used  more  and  more  for  analysis  and  planning  in  sustainable development.  

Keywords: Strategic  sustainable  development  (SSD),  The  Natural  Step  (TNS),  systems science,  systems analysis,  systems dynamics, agent based, discrete event,  life cycle assessment (LCA), modeling, simulation, backcasting 

Page 89: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

76 

1. Introduction 1.1 The Complex Sustainability Challenge Today’s  complex  global  socio‐ecological  sustainability  problems  (Meadows  et al.  2004;  Steffen  et  al.  2004; Millennium  Ecosystem  Assessment  (MA)  2005; Stern 2006;  Intergovernmental Panel on Climate Change 2007) have called for many  tools  for  analysis,  decision  support  and  monitoring  like  ecological footprinting  (Rees and Wackernagel 1994); material  intensity per  service unit (MIPS)  Factor  10  (Schmidt‐Bleek  1997);  and  life‐cycle  assessment  (LCA) (International Organization for Standardization (ISO) 2006). Without a unifying theory  it  is,  however,  unclear  how  these  methods  and  tools  can  support strategic  progress  towards  sustainability  and  how  they  relate  to  each  other (Robèrt et al. 2002; Ny et al. 2006). 

1.2 A Strategic Planning Framework for Sustainability A  previously  presented  framework  for  planning  in  complex  systems  (Robèrt 2000)  has  been  developed  both  for  strategic  planning  in  business  (Nattrass 1999; Broman et al. 2000; Everard et al. 2000; Robèrt 2002a) and municipalities (James and Lahti 2004; Resort Municipality of Whistler (RMOW) 2007), and for creating  cohesion  between  various  tools  and  concepts  (Robèrt  et  al.  1997; Holmberg et al. 1999; Robèrt et al. 2000; Robèrt et al. 2002; Korhonen 2004; MacDonald  2005;  Byggeth  and  Hochschorner  2006;  Ny  et  al.  2006).  The framework operates at five distinct and mutually interacting levels: 

1. The  System. Description of overall  system behavior,  in  this  case how the planning topic (e.g. product or organization) operates within society and  its surrounding ecosphere system. Using chess as an analogy,  the systems level contains the rules of the game.  

2. Success.  A  principled  definition  of  a  future  state  that  the  planning should result in. This does not prescribe certain actions but opens up to anything that can meet the success principles. In sustainability planning this  corresponds  to  basic  principles  for  sustainability  and  any  other desired principles of success for the planning topic. Similarly, chess has a  few principles of  checkmate  that  can be met  in numerous ways by different constellations on the board.  

3. Strategic Guidelines  for how  to prioritize between alternative actions to gradually reach success, focusing on actions that are  likely to move the planning topic towards success while being affordable and serving as  logical and  flexible platforms  for  future measures and  investments. Chess  players  use  similar  principles  to  prioritize  between  alternative moves to take strategic steps towards checkmate.  

Page 90: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper C 

77 

4. Actions. Concrete measures  that  comply with  the  strategic  guidelines for the process to reach a favorable outcome in the system. In this case any  concrete  measure  like  implementing  a  recycling  system  or developing a new product that can run on renewable energy. In chess, every individual move is an action. 

5. Tools.  Methods  and  tools  like  sustainable  development  indicators, environmental management  systems  and  life  cycle  assessments  that are required to monitor the actions (level 4) to ensure they are chosen strategically (level 3) to achieve success (level 2) in the system (level 1). Tools  for  chess  may  include  categorizations  of  typical  and  classical games, statistics, etc.  

1.3 A Process to Apply Strategic Planning for Sustainability

The  practical  application  of  the  Framework  for  Strategic  Sustainable Development  (FSSD)  is facilitated by a previously‐presented manual called the ABCD process (Holmberg and Robèrt 2000). The FSSD emphasizes,  in  line with the business planning literature (e.g. Montgomery and Porter 1991; Mintzberg et al. 1998), that strategic planning first of all requires enough knowledge about the system (level 1 in the framework above) to carefully describe success (level 2) and only thereafter levels 3‐5 can be strategically approached. The first step (A)  of  the  ABCD  therefore  includes  that  the  planning  team  analyzes  the planning  topic  within  its  system  enough  to  agree  on  robust  principled definitions of objectives and how those relate to the FSSD’s basic principles of global socio‐ecological sustainability. Then, in step B, they use backcasting from the  principled  objectives  to  identify  significant  current  problems  and  assets along  the  life‐cycle  of  the  planning  topic  in  that  context.  In  step  C  they brainstorm  and  list  desirable  future  solutions,  visions  and  actions  that  are possible  within  the  principled  constraints  of  success.  Finally,  in  step  D, prioritization (using the guidelines of  level 3 of the framework)  is done among the actions (level 4) to arrive at a strategic plan, and the possible need of tools for management and monitoring is identified (level 5). 

1.4 Complementing the Framework for Strategic Sustainable Development

When applying the FSSD in business and policy‐making, the rigor of application has  largely depended on  intuitive processes  in creative brainstorming sessions amongst  decision makers.  Sometimes  robust  solutions  to  complex  questions have been possible to deduce directly from the principles and guidelines of the framework.  At  other  occasions,  however,  optimization  and  prioritization between  alternative  possible  strategic  planning  routes  towards  success may 

Page 91: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

78 

require multidimensional conceptual and numerical decision support (Ny et al. 2006). Such support is here termed Systems Modeling and Simulation (SMS). 

1.5 Article Purpose In this article we use theoretical reasoning and a case study to investigate how, under what conditions, and in what ways SMS methods could add to the FSSD. The following research questions are in focus: 

1. What  SMS  methods  are  most  applicable  to  use  in  sustainability planning? 

2. What  might  a  new  sustainability  planning  approach  look  like  that integrates the FSSD with SMS? 

2. Methods We  review SMS approaches and put  them  in  the context of  the FSSD with  its ABCD  process.  Deductive methods  are  used  to  identify  possible  needs  and methods for empowering this framework with SMS. The results are tested for applicability and relevance in reality. We use waterjet cutting, a manufacturing technology with a reputation to have good basic potential to be effective and sustainable,  as  the  case.  A  generic  sustainability  plan  for  a  typical  waterjet machine producer  (WJC)  is designed and  then  tested and applied  in  real data gathering,  modeling  and  simulation  together  with  experts  from  the  real waterjet machine producer Waterjet Sweden. Finally, conclusions are validated against their experience. 

3. Systems Modeling and Simulation Approaches In  this  article,  systems  modeling  is  defined  as  describing  how  interrelated actors,  components  or  other  variables  of  a  system  are  connected  at  a  given point in time. Using a geographical metaphor, this corresponds to the drawing of a  roadmap of a  town. With  systems  simulation, we mean  to estimate  the future behavior of certain variables of a system. Similarly, this may correspond to studying how traffic is likely to flow on the roads of the drawn map. Systems Analysis and Dynamics  (SA/SD) and Agent Based  (AB) and Discrete Event  (DE) are mentioned  in  the  literature as  leading and complementing approaches  to modeling  and  simulation  (e.g.  Borshev  and  Filippov  2004).  The  first  two  are continuous  and  focused  on  the  dynamic  interactions  between  variables  over time,  while  the  latter  represents  the  analyzed  system  as  a  discontinuous sequence of  isolated  events performed on  system  actors. Before we  enter  a more detailed analysis of different modeling approaches below, it is important to contemplate the assumptions on which the modeling  is made, and the way those  assumptions  are  fully  understood  by  individuals  taking  part  in  the 

Page 92: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper C 

79 

modeling and making use of  the  results. A  related and very  important aspect concerning assumptions  is whether  those are  transparent and brought  to  the table as a shared mental model, or  if they are only vaguely discussed, or even hidden. This question is neutral to all the different ways of modeling described below.  Goals  could  be  distinct  and  shared  or  not,  collected  knowledge  and experience of modelers high or  low, and  the  scope vary  from detail  to more holistic attempts. These considerations are underpinning our  interest to study modeling in the context of a robust framework for sustainability, large enough in  time  and  space,  and  expressed  through  a  clear  vocabulary  to  serve  as  a shared mental model, or language, for cohesive cooperation.  

3.1 Systems Analysis and Systems Dynamics These  approaches  both  study  how  system  variables  influence  each  other through  causal  feedback  relationships  and  affect  the  system  behavior (Forrester  1961;  Sterman  2000).  Systems  Analysis  (SA)  uses  Causal  Loop Diagrams (CLDs) to make mental or conceptual models and Reference Behavior Patterns (RBPs) to simulate potential behavior over time for key variables of the system. With the help of Systems Dynamics (SD), the mental model structures, developed with SA, can then be taken one step further and be transferred into dynamic  numerical models  that  can  be  simulated  in  a  computer  (figure  1). Models and simulations are updated  through  ‘Learning  loops’  (Sterman 2000) based on how well the models are able to predict real outcomes. 

Page 93: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

80 

 Figure 1. Modeling and Simulation Distinctions. Using Systems Analysis and Dynamics to  exemplify  the distinction  between  conceptual  (i.e.  Causal  Loop Diagrams  (CLDs) and Reference Behavior Patterns (RBPs)) and numerical support tools (i.e. Computer Models and their Use) for Systems Modeling and Simulation, respectively. 

SA and SD are  ‘top‐down’ approaches  (Scholl and Phelan 2004), which  look at system behavior from an aggregated perspective and they are therefore mostly used in long‐term, strategic models. They also often make it possible to identify leverage  points  for  interventions  in  the  system  that  can  lead  to  significant changes with minimal amounts of effort (Meadows 1999). Using the same town road  map  metaphor,  SA  and  SD  do  not  aim  to  understand  individual commuters’  behavior  but  attempts  to  understand  the  traffic  system  by modeling and simulating the dynamics at the town level (e.g. effects of various traffic policy interventions on the average congestion frequency in traffic).  

3.2 Agent-Based Modeling and Simulation This  is  a  ‘bottom‐up’  approach  that  starts  from  relatively  simple  rules  that govern  the  interaction between agents as well as  the  interaction between an agent and its environment. The behavior of those individual actors can then be aggregated  to show an emerging behavior of  the system. This corresponds  to attempting to understand the above mentioned traffic system by modeling and simulating  how  the  choices  and  interactions  between  individual  drivers  and other stakeholders depend on road pricing and other traffic policies. The Agent‐Based  (AB)  approach  has  its  roots  in  modeling  human  social  behavior  and individual  decision‐making  (Bonabeau  and Meyer  2001)  and  stems  from  the field  of  complex  adaptive  systems which  addresses  “how  complex  behaviors arise  in nature among myopic, autonomous agents”  (Macal and North 2005). 

 

Page 94: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper C 

81 

The  Agent‐Based  approach  has  also  been  suggested  for  use  in  new  product development (Garcia 2005). 

3.3 Discrete Event (Process-Centric) Modeling and Simulation

The  ‘Process‐Centric’  nature  of Discrete  Event  (DE) modeling  and  simulation means  that  it  represents  the  analyzed  system  as  a  sequence of  isolated  and discontinuous operations: (e.g. arrival, delay, use resource, split, combine, etc.) being  performed  on  entities  (transactions)  like  customers,  documents,  parts, data  packets,  vehicles,  phone  calls,  etc  (Cassandras  2005).  In  the  town  road map and traffic example, DE could be used to model and simulate the sequence of events that commuters need to go through to get from their homes to their workplaces. 

4. Investigating What SMS could Bring to the FSSD

The FSSD is a framework for strategic planning in complex systems. As such, the FSSD does not  in  itself  contain  rigorous  tools  for aiding understanding of  the dynamics  of  the  systems  of  study.  Experience  shows  that  a  well‐composed group  (with  representatives  from  various  stakeholders)  that  knows  the framework well will, by  sharing one  and  the  same mental model  for how  to frame  the planning, be able  to apply experience,  intuition, and  the  collective knowledge  to  arrive  at  strategic  paths  towards  sustainability  (Robèrt  1997; Nattrass 1999; Broman et al. 2000; Leadbitter 2002; Robèrt 2002b; James and Lahti 2004). Nevertheless, we know from systems science that many essential system aspects are difficult to explore with group‐modeling alone, or may even be  counterintuitive  in  such  settings  (Senge  1990;  Meadows  1999;  Sterman 2000). Planning without additional  support at  such occasions may  then mean that  important system mechanisms  remain hidden or  incompletely described. Our hypothesis is that this combined approach should identify relevant current problems and assets  in relation to the ABCD steps, while adding SMS tools as needed throughout the process (figure 2).  

Page 95: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

82 

 

Figure 2. Systems Modeling and Simulation  (SMS) within Sustainability Constraints. How  SMS  tools  add  to  the  ABCD  planning  process  of  the  FSSD  by modeling  and simulating,  among  other  things,  how  alternative  timing  and  strength  of  human activities (e.g. Resource Use) might push key system variables (e.g. ecosystem health) towards the future vision within sustainability constraints. 

Specifically, SMS may support the FSSD: 

• At  the  systems  level,  by  providing  a  deeper  understanding  of  the system  of  study  (e.g.  project  or  organization),  including  the relationships the system has with its surroundings. 

• At  the  current  and  success  levels,  by  scrutinizing  the  relationships between  the sustainability principles on  the one hand, and aspects of the current situation (B) as well as of proposed solutions and measures, on the other (C). 

• At  the  strategic  prioritization  level  (D),  by  helping  to  answer  guiding questions  and  thereby  supporting  evaluation  and  prioritization  on suitable timing and strength of proposed actions. This means to identify 

Page 96: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper C 

83 

the  smartest  of  some  alternative  investments  with  regard  to  their feasibility to act as flexible platforms for forthcoming investments. 

With the above in mind, what are potential contributions of specific SMS tools like SD, DE, AB and LCA to the ABCD planning process of the FSSD? 

5. A New Integrated Planning Process 5.1 Planning Process Planners may  first  get  a  structured overview by using  the ABCD process  and when needed use SMS tools both at a mental or conceptual level (e.g. systems analysis column  in figure 1 above) and at a more detailed numerical  level (e.g. the systems dynamics column in figure 1). The workflow would be: 

1. Run  the  iterative ABCD Planning Process. Planners  first agree on  the system  of  study  and what  success  in  the  system would  entail  on  an overarching  and principled  level  including  the  sustainability principles (A). Then, in that context, they identify challenges and strengths in the current  situation  (B)  as well  as  potential  solutions  for  the  future  (C), and,  finally, move on to prioritization and planning  (D). The process  is iterated as the plan unfolds in reality, requiring re‐evaluation and new, adapted, planning. It may be an advantage to allow some time spent on this kind of free and explorative stage, before more sophisticated tools of any kind are brought into play. This is to avoid risks like unnecessary modeling if the big picture presented from the ABCD is enough to arrive at  a  decision,  or  that  some  thoughts would  not  surface  if  there  are uncertainties as regards how to express them in a format that suits the modeling.  

2. Check the need for Conceptual Modeling and Simulation Support. Are there issues or ‘hotspots’ that seem interconnected in a fashion that is too complex  to understand or  foresee only by experience and group‐modeling methods?  If we are dealing with a  strategic  issue and  if an aggregated  whole‐systems  overview  is  desirable  the,  SA  approach should be used. If  individual actors and their histories are of particular interest,  AB  is  suitable.  And,  finally,  if  a  case  concerns  mainly  a sequence  of  events,  this  points  towards  using  DE.  If  no  conceptual support is needed move on to step 6. 

3. Conduct the Conceptual Modeling and Simulation. Make an overview model  covering  business model,  physical  consumption,  sustainability impacts  and  resulting  stakeholder  pressure.  If  necessary,  zoom  in  on the  ‘hotspots’  revealed  from  the  ABCD  and  the  overview  model, 

Page 97: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

84 

identify important related variables and estimate likely system behavior over time.  

4. Check  the need  for Numerical  Support. Are numerical estimations of timing  and  strength  of  problems  and  interventions  necessary?  If  no, then move on to step 6. 

5. Conduct  the  Numerical  Modeling  and  Simulation.  Make  computer models  based  on  the  conceptual models,  identify  suitable  indicators and assess the effect of alternative intervention scenarios. 

6. Formulate recommendations. Complement or refine the ABCD analysis and present a prioritized list of actions and a time plan. 

6. Case Study Part 1: ABCD Planning for Waterjet Cutting

6.1 Step A1. Exploring the Waterjet System and its Success Criteria

6.1.1 The Waterjet Cutting Technique Waterjet cutting machines (figure 3) use the erosion power of water and sand to  cut  the  work  piece.  The  cutting  is  typically  done  either  with  water  only (20%),  or with water  and  some  additives, mostly  sand  abrasives  (75%).  Pure waterjet  cutting  (only water)  is  typically  used  to  cut  foodstuff,  rubber,  fibre wool, corrugated cardboard, plastic, fibre‐reinforced plastics, fibreglass, carbon fibre, lead and tin. Abrasive Waterjet Cutting (AWJ) (water and sand) is typically used  to  cut  in  tougher  materials  such  as  stainless  steel,  tile,  brass,  wood, titanium, copper, granite, and aluminium up to a thickness of about 300 mm.  

 Figure 3. A waterjet  cutting machine with  (1) a  tank with water  that dampens  the waterjet beam, (2) a work bench where the cut piece is placed, (3) cutting heads that 

2 34

1

Page 98: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper C 

85 

press water through the workpiece  into the water tank, and  (4) a supporting  frame for the mobile cutting heads. 

6.1.2 The Waterjet Cutting Market From 2000  to 2007,  the global waterjet  cutting market  increased  from about 200  to 1000 million USD. We will  focus on high quality  cutting  systems with higher  cutting  performance  and  price  than  the  market  average.  Of  course companies  with  such  a  focus  were  extremely  vulnerable  to  the  rapid  and drastic  drop  in  industrial  demand  that  resulted  from  the  financial  crisis  that erupted in late 2008.  

6.1.3 Case Justification Compared to most other cutting techniques (e.g. oxyfuel flame cutting, plasma and high definition plasma cutting and  laser cutting) waterjet cutting has high accuracy  and  flexibility,  low work  piece material  losses  and  inert,  abundant main processing substances (mainly water and sand) and, thanks to its cold cut, a  lesser  need  for  post‐operations with  accompanying  resource  consumption and costs. Waterjet cutting therefore seems to have a good basic potential to be an effective and sustainable manufacturing technology. 

6.1.4 Studied System

In  line  with  both  FSSD  and  SMS  practice,  we  first  agreed  upon  the  below described boundaries for the studied waterjet cutting life‐cycle system and how it relates to other systems, human society (with external stakeholders) and the ecosphere (figure 4). 

 

 

Page 99: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

86 

Figure 4. Systems map with  focus on waterjet machine production and  its  life cycle phases. The map describes key material and energy flows  in the context of waterjet cutting  of  some  materials,  the  ‘parent’  Ecosphere  system  and  the  connected Lithosphere system. Other interactions within the product life cycle and between the product life cycle and societal stakeholders are also covered. 

6.1.5 Success Since the system is dependent upon ‘parent’ systems, the definition of success for the system being planned must  inherit the principles of success (minimum constraints)  for  those  higher  system  levels.  In  this  case,  a  future  sustainable Waterjet  Cutting  system  must  therefore  comply  with  the  four  previously presented sustainability principles (SPs) that establish minimum constraints for global  socio‐ecological  sustainability  (Holmberg  and  Robèrt  2000;  Ny  et  al. 2006). This means that the Waterjet Cutting system must not contribute to: 

Exposing the ecosphere to systematically increasing… 

I. …concentrations of substances extracted from the Earth’s crust 

II. …concentrations of substances produced by society 

III. …degradation by physical means 

Systematic … 

IV. … undermining of people’s capacity to meet their needs 

6.2 Step B1 – Benchmarking against Success In  this  step  we  identify  current  strengths  and  challenges  in  relation  to  the definition of success agreed upon in step A1. We have focused the assessment 

Page 100: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper C 

87 

below on two key topics; the product function throughout  its  life cycle on the one  hand,  and  the  stakeholder  perspective  on  the  other.  According  to  our experience,  those  are  shortcuts  to  overview  and  clarity  in  the  B  step  of  the ABCD (Ny et al. 2008): 

6.2.1 Current Product Function and Life-Cycle Implications The waterjet cutting machine is mainly used in industry sector applications that demand high cutting accuracy, as, for example, the aircraft industry and the car industry. Some of its advantages are that it can cut: 

• in almost any material in various thicknesses; • without deforming  the work material  (reducing  the need  for  resource 

consuming post processing); • with low total cutting costs even in small series; and  • in a way that contributes to a good working environment.  

The main sustainability problems (SP violations)  in relation to Waterjet cutting are that it: 

• often uses unsustainable fossil‐ or nuclear‐based electrical energy (SPs 1 and 2); 

• consumes relative large amounts of water and special quality sand that is  a  rare  resource  and  therefore only  available  in  limited  amounts  in some parts of the world (in this case Australia) (SP3); 

• requires significant fossil energy supply for sand transports (SP 1); • can occupy land from deposits of waste sediment (SP 3); and • can  emit  hazardous  cutting  remainders  through  the waste  sediment 

(SPs 1, 2) 

6.2.2 Current Communication and Cooperation with Stakeholders Here we gather  societal  stakeholder consequences  from  the product concept and how they are currently influenced. Other sustainability‐related stakeholder challenges for the waterjet companies include: 

• too little value‐chain co‐operation on recycling (SPs 1, 2, 3 and 4); and • sub‐optimized design due  to  insufficient pressure  from  sustainability‐

related legislation and economic incentives and disincentives (SPs 1, 2, 3 and 4). 

6.3 Step C1 – Creating Visions and Potential Actions In  this  step we  use  brainstorming  to  identify  ideas  of what waterjet  cutting might look like in a sustainable society and actions and measures that can deal with  problems  identified  in  the  B‐step  to  start  closing  the  gap  between  the 

Page 101: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

88 

present situation and the vision. We focus the assessment on the same two key topics as in step B1. 

6.3.1 Potential Future Product Function and Life-Cycle Implications

The following new market requirements on waterjet functions and conceptual design  are  likely  to  evolve  in  the  future  as  responses  to  the  sustainability challenges: 

• Faster cutting with preserved accuracy; • Staff education and incentives on efficiency and sustainability; • Energy‐efficient cutting beam and lighter moving parts; • Recycling of machine  raw materials  and  cutting  consumables  (mainly 

water and sand); • Module‐based machines for easier maintenance, reuse and recycling; • Safe separation of hazardous materials from the sediment; • Purification of the customers’ sediment and selling it back to them; • Magnification of  research and development efforts  through university 

sustainability projects; • Renewable electricity (e.g. from wind, hydro, or photovoltaics); and • New cutting concepts (e.g. a mobile unit for road construction). 

6.3.2 Potential Future Communication and Cooperation with Stakeholders

The development of more  sustainable product‐service  concepts will probably be favored by  increased prices and taxes that make  it more profitable to save scarce resources and nature’s receptive capacity. Resource efficient companies and  companies with proactive  resource and emissions  strategies will become leaders  in this situation. To that end, some possible measures to consider are to:  

• Dialogue with value‐chain companies on sustainability and efficiency; • Support sustainability‐related tax policies; • Cooperate with  experts  on  recycling  of  cutting  remainders  from  the 

sediment; • Work with experts on life‐cycle optimization of machines; • Replace virgin sand with locally sourced abrasives (e.g. crushed rock); • Lease machines as part of a total function‐selling offering; • Create a network of companies for a total cutting service and recycling; • Promote expanded railroads for easier waterjet machine transport; • Strengthen marketing by pushing eco‐labeling of waterjet cutting; and 

Page 102: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper C 

89 

• Work  through Waterjet Associations  to  inform  customers  on  how  to deal  with  waste  products  and  how  to  take  extra  precautions  when cutting in certain problematic substances (e.g. lead).  

6.4 Step D1 – Prioritize Actions This  assessment  step  prioritizes  the  above  identified  sustainability  problems and  solutions  to  arrive  at  some  recommended  action  steps  for  waterjet companies  and  their  stakeholders. Actions  are prioritized based on how well they are expected to be: 

1. Exploring its potential to serve as platform for forthcoming investments captured  in  the  C  analysis,  to  arrive  at  full  compliance  with  all sustainability principles and other success criteria. 

2. An  immediate  improvement  in  relation  to  one  or  all  sustainability principles or criteria. 

3. Profitable soon enough (sufficient return on investment) to sustain the transition  process  towards  full  compliance  with  all  sustainability principles and other success criteria.  

The  following early action steps came at  the  top of  the prioritized actions  list for the waterjet companies: 

6.4.1 Short Term Steps (1-2 yrs)

• Educate staff and provide incentives for efficiency and sustainability; • Improve cutting beam efficiency and cut weight of moving parts; and • Initiate value‐chain dialogues on sustainability and efficiency. 

6.4.2 Medium to Long Term Steps (5 yrs+)

• Buy eco‐labeled electricity and recycled raw materials; • Replace ‘virgin’ sand with locally sourced abrasives (e.g. crushed rock); 

and • Offer  a  cutting  service with  guaranteed  continuous  operation  for  an 

annual and low fixed fee.  

6.4.3 Check the Need for Support from Conceptual Systems Modeling and Simulation

The  first  round  of  sustainability  assessment  resulted  in  the  above  list  of prioritized actions over five years. This  is a good starting point but  is  it certain that  this  makes  the  company  sufficiently  prepared  for  major  sustainability challenges like climate change and ‘peak oil’ (Campbell 2005) that will escalate within  the  next  ten  to  fifty  years?  Is  the  list  of  early  actions  steps  really complete  and  are  all  relevant  interactions between  them  identified?  To  look deeper  into  these questions, and given  that  they are not easily modeled as a 

Page 103: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

90 

series  of  discrete  events  and  that we  at  this  stage  are  not  interested  in  the behavior of individual actors, we continue by using systems analysis tools. 

7. Case Study Part 2: Conceptual Systems Modeling and Simulation

7.1 Step A2 – Overarching System and Success Description through Causal Loop Diagrams

Here  we  use  Causal  Loop  Diagrams  (CLDs)  to  systematically  organize  and potentially complement the system of study and  its success definition that we identified in step A1 above. CLDs map out causalities between system variables through positive and negative arrows. A positive arrow denotes that a change in one variable gives a change  in  the  same direction on  the affected variable (positive  or  negative).  And  conversely,  a  negative  arrow  denotes  that  the variables  are  going  in  opposite  directions;  if  one  increases  the  other  will decrease and vice versa (e.g. Sterman 2000). The key system actors in this case include  the waterjet machine producer  (WJC) with  its  cutting  customers  and stakeholders  and  the  competing  producers  with  their  customers  and  the system  is  the  market  for  waterjet  cutting  which  –  like  other  markets  –  is exposed to increasing threats from societal unsustainability. 

7.1.1 System Description CLD The  system  of  study  is  mapped  through  the  competitiveness  of  a  typical waterjet machine  producer  in  relation  to  competing  techniques  like  thermal cutting on an  increasingly  sustainability‐driven market. We  translate  this  into the  following concrete question: “What are  some major  sustainability‐related enablers and barriers to the competitiveness of waterjet machine producers?” 

The  resulting CLD  (figure 5)  consists of  three  loops  covering  the basic profit‐enhancing mechanism  of WJC  (loop  R1),  the  profit  dampening  effects  from physical  consumption  and  costs  (loop  B1)  and  the  indirect  sustainability consequences  and  resulting  stakeholder pressures  (loop B2)  that  also  reduce profitability. WJC & Customer Profitability  represents  the companies’  financial strength  and  investment  ability.  Tax  &  Legislation  &  Stakeholder  Pressure summarizes external  stakeholders’ enhancing effects on WJC  Life‐Cycle Costs. The profitability  loop  is also  related  to  the  total number of high  tech  cutting devices demanded on the market  in a certain year (High Tech Cutting Market) and thereby also dampened by competing thermal cutting.  

Page 104: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper C 

91 

 Figure  5.  System  Description  CLD.  How  the  competitiveness  of  Waterjet  Cutting producer  (WJC)  is  strengthened  by  the  size  of  its  high  tech  cutting  market  and profitability (R1) and dampened by the profitability of competing thermal cutting and consumption (B1) and sustainability costs (B2).  

7.1.2 Success Description CLD In step A1, we defined the minimum constraints for success through a series of sustainability  principles  that  should  not  be  violated  in  the  system.  But what could  be  actively  done  to  promote  sustainability  in  this  system?  In  the  CLD (figure 6) we start from the systems description CLD in figure 5 and categorize the  answers  to  this question under  either Research  and Development  (R&D) based efficiency increases in existing machine concepts (loop R2) or innovations (loop R3) that bring about new machine concepts that are able to take market shares  from  less  sustainable  or  otherwise  less  efficient  machines.  From  a business point of view  this  is not  trivial of course, since  there  is a chance  for waterjet cutting to grow even  if the market  for cutting at  large would decline due to increasing pressures from sustainability‐concerns, financial recession, or other reasons. The new machines concepts also have negative  impacts but, as long as they are less damaging than the machines they replace, the innovation benefits (loop B3) outweigh the costs (loop R4). 

Page 105: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

92 

  

Figure 6. Success description CLD. How the competitiveness of Waterjet Cutting (WJC) is  further  strengthened  by  either  increased  efficiency  through  R&D  efforts  (R2)  or through  innovation  efforts  (R3)  that  result  in  the  replacement  of  less  sustainable machine types on new markets (R4). 

7.1.3 Conclusions and Added Understanding from System and Success CLDs

The  systems  description  CLD  displays  that  the  size  of  the  high  tech  cutting market sets an overall limit to the number of machines the company can sell. In line with  this,  the  success  description  CLD  emphasizes  the  importance  to  be competitive  not  only  from  improving  the  efficiency  of  existing  machine concepts  but  to  innovate  and  find  new  concepts  that  can  thrive  on  a sustainability‐driven  market.  The  need  for  such  innovations  is  further emphasized by  the downturn on  the high  tech  cutting market  in  the  current (2009)  global  financial  crisis  (Jönsson  2009).  The  CLDs  also  identified  an important  delay  from  the WJC  Contribution  to  Socio‐Ecological  Sustainability Problems  to  the  Tax &  Legislation &  stakeholder  responses.  This  is  a  strong argument  for  companies  to become proactive  since  they otherwise might be exposed to sudden and unforeseen reduced competitiveness during the delay time, even  though  they might have  fixed  their sustainability problems one by one as they appeared.  

Page 106: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper C 

93 

7.2 Step B2 – Identification of Sustainability ‘Hot-Spots’ At  this  step we  complement  the  list of  sustainability  violations  from  step B1 presented in previous section: 

• large  amounts  of  fossil  CO2  and  other  emissions  due  to  long transportation of sand (SPs 1 and 2); and 

• too much  focus on  current  sustainability problems  at  the  expense of new  market  opportunities  where  waterjet  cutting  has  advantages compared to other cutting techniques (SPs 1, 2, 3 and 4).  

And,  other  sustainability‐related  stakeholder  challenges  for  the  waterjet companies include: 

• That the high‐tech cutting market is proportional to global GDP output and subject to its sustainability limitations (SPs 1, 2, 3 and 4); and 

• That the sustainability performance of waterjet cutting  is restricted by the efficiency of their cutting customers and society at large (SPs 1, 2, 3 and 4). 

7.3 Step C2 – Identification of Suitable Sustainability Interventions

Here  we  identify  some  new  suitable  sustainability  interventions  for  the hotspots from B2: 

• Magnify  the  efficiency  increasing  effect  of  waterjet  cutting  in  the sustainability  driven market  at  large  by  research  to  identify:  (i)  new market opportunities; (ii) new ways of providing cutting services as well as machines; and (iii) value‐chain cooperation; and  

• Divert  a  portion  of  the  company  profits  to  build  up  innovation competence  (in  line with  the  above bullet)  through  cooperation with other actors like business incubators and academia. 

7.4 Step D2 – Prioritize Actions The experiences from the CLDs, B2 and C2  led to the following updated  list of prioritized actions for the waterjet company and some new questions: 

7.4.1 Short Term Steps (1-2 yrs)

• Divert  a  portion  of  the  company  profits  to  build  up  innovation competence  through  cooperation  with  other  actors  like  business incubators  and  academia  to  explore new ways of making business  in the waterjet cutting industry on a sustainability driven market. 

 

 

Page 107: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

94 

7.4.2 New Questions The  issue  of  efficient  recycling  and management  of materials  have  surfaced several  times during  the assessment  so  far, and  the CLD of A2 expanded  the scope  to  see  the  market  at  large,  with  potential  repercussions  of  great importance to the waterjet cutting industry. This leads to a new question. What resource  flows  most  urgently  needs  to  be  better  managed?  This  will  be addressed  by  identifying  key  sustainability  indicators  and  follow  them  in  an overview waterjet cutting life‐cycle inventory study. 

7.5 Life-Cycle Inventory Study 7.5.1 Indicator Selection Criteria To  be  able  to  manage  many  elements  in  complex  interrelationships,  it  is important to begin with a small number of relevant and preferably pedagogical indicators.  In  this  first  application  of  the  new  combined  FSSD  and  SMS methodology,  we  have  chosen  to  cover  some  key  social,  ecological  and economic sustainability aspects of the waterjet life‐cycle activities. 

7.5.2 Social and Ecological Indicator Selection To conveniently meet the indicator criteria, the social and ecological indicators were  derived  from  the  above  identified  key  violations  of  sustainability principles  (SPs)  throughout  the waterjet  lifecycle. This  should ensure  that  the indicators  are  relevant  for  sustainability  and  help  keep  their  number  to  a minimum.  

• SP 1. One of  the key SP1 violations was  the  transport and energy use related  emissions  of  carbon  dioxide  from  non‐renewable  energy sources. A standardized and easily accessible  indicator would  then be the Global Warming Potential  (GWP100). Another SP1  indicator could be focused on the waste pieces of the cut material (mostly metals) that will mix with  the  sand  to  form waste  sediment at  the bottom of  the water tank. It is excluded here since we focus on a typical cutting case with sediment  that  is classified as  inert waste.  It  is only  in  rare cases, when  toxic  materials  like  heavy  metals  have  been  cut,  that  the sediment is considered harmful. 

• SP 2. The waterjet machine  is assembled from relatively few materials and chemical processes  (except  for welding and painting). The cutting operations use inert sand and water that do not react chemically to the cut material. This means that there are not many chemical emissions in the  key  production  and  cutting  stages  of  the  life‐cycle.  We  have therefore decided to not include an SP2 indicator. 

Page 108: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper C 

95 

• SP  3.  The most  influential  SP3  violations  in  the  key  life‐cycle  stages were  that  the  cutting  process  uses  sand  that  is  a  rare  resource  (this gives impacts at the extraction sites) and water. These two flows were therefore selected as SP3 indicators.  

• SP 4. Except for the work‐related risks (that still probably is lower than for  competing  techniques  that may  cause  in‐door  gas  emissions)  not much  serious  SP4  violations  were  identified.  The  work  related  risks should be measured when comparing cutting with other techniques but in  this  case, when we  focus on waterjet  cutting, we have decided  to exclude it. 

7.5.3 Economic Indicator Selection We wanted to capture the profitability that waterjet producers and cutters get from  selling  and  using  the machines. We  then  adapted  some  standardized economic  indicators.  We  therefore  mapped  out  the  producer’s  costs  and revenues  throughout  the machine  life‐cycles and  let  that add up  to  the  total producer  profitability  (represented  by  their  profits  after  taxes).  Since  the cutting process is part of the customers’ production process and not their core business  it  is most  relevant  and  accessible  to  estimate  their  profitability  on waterjet cutting by their ability to keep total cutting costs down. 

7.5.4 Data gathering Figures for sand and water use and related GWP100 were accessed through a simplified  life‐cycle  inventory  study  for  a  typical  South  Swedish  waterjet manufacturer.  It  covers  cradle‐to‐gate  impacts  for  production  of  a  40  kW machine with 2 cutting heads (table 1) and 1500 hours operation of the same machine  (table 2). Generic consumption and  sustainability data was collected from  the  Ecoinvent2  life‐cycle  inventory database.  The  generalized  economic data  were  based  on  waterjet  research  (Öjmertz  2006),  marketing  studies (Öhrlings Pricewaterhouse Coopers 2003)  financial reports  (Water  Jet Sweden AB 2007, 2008) and a dialogue with experts at Water  Jet Sweden AB and  the Swedish Waterjet Lab. 

7.5.5 Life-Cycle Inventory Results The production of a waterjet machine results in about 9 ton GWP100 (table 1) and the use of the same machine emits 14 ton GWP100 per year (table 2). The production figure also has to be distributed evenly over the expected economic life‐time  of  the machine  (20  years).  This means  that  the  yearly  contribution from the production phase  is about 0,5 ton. The current climate change  issue indicates  that  fossil  CO2  emissions,  in  a  not  too  distant  future,  probably will need  to  approach  zero  for  all  actors  and  sectors  in  society.  As  long  as  this demand  is remembered,  it  is adequate to put the current CO2 emissions  from 

Page 109: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

96 

the recycling phase at zero or less due to the emissions that are avoided when it replaces ‘virgin’ metal production. Furthermore, recycling per se is neutral to the energy sources we use for  it, and will always save resources also  in a CO2 neutral future scenario. So, the use phase  is clearly most  important  in relation to this  indicator and, among the materials used  in this phase, the sand and  its transport from Australia to Sweden is the dominant factor (8 tons per year).  

 

Page 110: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

 

 

Table 1. Waterjet Machine (40 kW, 2 cutting heads) Cradle to Gate Life Cycle Inventory Data and Global Warming Potential. 

 

Machine Components and 

Assembly 

Qty  Distance Final transport to Waterjet Assembly 

(km) 

Transport Mode 

GWP h Cradle to Gate for 

Machine Component (kg CO2 eq) 

GWP h Final transport to 

Assembly (kg CO2 eq) 

GWP h Assembly 

 (kg CO2 eq) 

Total GWP h 

 (kg CO2 eq) 

Compressor  400 kg (1 unit) 

500b  Truck  4050a  20,7    4070 

Control Electronics 

 

50 kg  17000c

350d Ship Truck 

1380  11,69    1400 

Copper Cable  75 kg  500b  Truck  413  5,8    419 

Electric motors  80 kgf (4 units) 

500b  Truck  868e  6,16    874 

Steel Frame  1500 kgg  500b  Truck  2177  116    2290 

Water  1,2 m3  n/a        0,373  0,373 

Electricity  75 kWh  n/a        3,24  3,24 

Total for Cradle to Gate          9086 a Emissions data based on a compressor for 5000 USD in US Input/Output database b Central Sweden to Ronneby (Sweden) c Ningbo (China) to Gothenburg (Sweden) d Gothenburg to Ronneby (Sweden) e Emissions data based on each electric motor for 200 USD in US Input/Output database f 20 kg for each transported electric motor  g Steel (900 kg), stainless steel (600 kg) h Global Warming Potential (GWP) based on 100‐year CO2 equivalents  

Page 111: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

 

 

Table 2. Waterjet Machine (40 kW, 2 cutting heads) Operation (1500 hrs) Life Cycle Inventory Data and Global Warming Potential.  

 

Consumables during Operation 

Qty  Distance Final transport to 

Operation (km) 

Transport Mode 

GWPa Cradle to Gate for Consumables (kg CO2 eq) 

GWPa Final transport to 

Operation (kg CO2 eq) 

GWPa Operation 

 (kg CO2 eq) 

Total GWPa 

 (kg CO2 eq) 

Sand  27 tonsb  18260c 350  

ShipTruck 

97,2d

 7682e     7779 

Other Consumablesf    500  truck  2650 3    2653 

Water  133,2 m3 g  0        414  414 

Electricity  75 MWhh  0        3240 

 

3240 

Total for Operation           14085  

a Global Warming Potential (GWP) based on 100‐year CO2 equivalents b At a use rate of 300 g/min c Australia to Gothenburg (Sweden) d 3,6 kg CO2 eq/ton e 7182 kg (266 kg/ton raw material sand) + 499,5 kg (18,5 kg/ton disposed sand) f  E.g. spare parts such as oil filters cutting heads, grates, nozzles, etc. g 3,8 l/min cutting, 11 l/min cooling * 60 min/hour * 1500 hours; 1000 liters = 1 m3 h 40 kW pump, 10 kW motors/controls * 1500 hours 

Page 112: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper C 

99 

7.6 Check the Need for Numerical SMS Support? Several  important  sustainability  issues  have  been  identified  in  the  various assessment  steps  so  far,  including  the  need  to  improve  sand  and  water management  to  save  on  limited  resources.  The  life‐cycle  inventory  study  re‐emphasized that the sand, and its long transport from Australia, needs to be a focus  for  efficiency measures.  But  how  could  this  efficiency  be  achieved  in practice? How soon will the  interventions need to come and how strong? Are there  tradeoffs between  sustainability  gains  and  short  term economic  gains? Such  questions will  be  addressed  through  numerical  systems  dynamics  that zooms in on the sand issue.  

8. Case Study Part 3: Numerical Systems Modeling and Simulation

8.1 Numerical STELLA Computer Model 8.1.1 Model Focus The model  focuses  on  the  above  described  issue  of  sand management  and translates  this  into  the  following  question:  “How  could  alternative  sand management  strategies  influence  the  profitability  for  WJC  and  its  cutting customers on a sustainability‐driven market”.  

8.1.2 System Boundaries and Assumptions The sand‐focused question sets an overarching model boundary. The following assumptions have further specified the content of the model: 

• The  WJC  and  its  customers  are  treated  as  one  company  with  one combined net profit. This means  that monetary  transactions between them (e.g. producer sales and aftermarket revenues) are excluded from the model. The WJC production  cost  is  included and  spread out over the  assumed machine  lifespan  (20  years).  The  cutters’  revenues  are excluded since they often depend on other external factors and not so much  the  small  manufacturing  step  that  waterjet  cutting  normally represents for them. This means that profitability efforts  in this model are focused on cost minimization rather than profit maximization; 

• Sand costs are  included but other costs  to run  the machines  (salaries, consumables other than sand, etc) are assumed to be unaffected by the measures  taken  to  improve  sand  management  and  are  therefore excluded; 

• All  tax,  legislation and other  cost‐enhancing  stakeholder  responses  to sustainability problems are aggregated  into one variable‐ the GWP tax rate; 

Page 113: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

100 

• The high tech cutting market and WJC’s share of it are both assumed to be constant for the simulation period (2010 – 2030). The WJC machine population  is  considered  to  have  leveled  out  at  400  as  the  company sales of machines just replaces those that are recycled every year (20); 

• It  is  assumed  that WJC  and  its  competitors  are exposed  to  the  same external events and put corresponding funds into R&D. The R&D efforts in  the model  are  therefore  assumed  to be  spent on  keeping up with competitors and maintaining  the same market share. This also means that the competitors can be excluded from the model; and 

• No  inflation and no  interest rates are  included. This means that future gains  and  losses  are  given  the  same  estimated  values  as  the  current ones. 

8.1.3 General Model Layout The  Stella  computer model  consists of  four  sub‐modules  (figure 7)  that each corresponds  to a variable  in  figures 5 and 6: WJC Machines  In Use  (M1), WJC Life‐Cycle Contribution  to  Sustainability  Problems  (M2),  Stakeholder  Pressure (M3) and WJC and WJC & Cutter Profitability (M4). Several feedback loops have been cut and replaced by external input variables whose values are determined by the model user depending on the specific scenario assumptions. 

 

 

Page 114: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper C 

101 

 Figure  7.  Stella Model  for  the  study  of  sand  profitability  in  the  waterjet  cutting system. The machines in use (M1) increases profits (M4), sand consumption and CO2 

emissions (M2) and, indirectly, CO2 taxes (M3). Sand consumption (M2) and CO2 taxes (M3)  both  limit  profits  (M4).  The model  user  inputs  values  to  7  variables  (0‐6)  to calculate 7 output variable values (7‐13).   

M3 - Stakeholder PressureM4 - WJC & Cutter Profitability

~Sand Use perMachine & yr

WJC & CutterCostsper yr

~Tax rateper GWP

~

WJCMachines

In Use

Sand GWPper yr

CO2 Taxper yr

Sand Costper yr

Sand Useper yr

Income Taxper yr

WJCOp Costs

per yrWJC Costs

perMachine In Use & yr

~GWP

per ton Sand

~Costs for

RnD & Innovationper yr

~Cost

per ton Sand

M1 - WJC Machines In Use

M2 - Contribution to Sust Problems

0

1

6

5

4

2

3 13

12

11

9

7

8

10

Page 115: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

102 

8.1.4 Model Input Data All model  scenarios  started  from  (and  sometimes modified)  a  set of  ‘steady‐state’ input data for a typical waterjet producer (WJC) (table 3).  

Table  3. Model  Input Data  for  a  ‘Steady‐State’ Market  of Waterjet Machines  (400 machines).  

No.  Variable Name  Value  Unit  Source 

(0)  WJC Machines In Use  400  M  Estimation based on financial reports (e.g. 

Water‐Jet‐Sweden‐AB 2007)  

(1)  WJC Costs per  Machine In Use & yr 

0,170  MSEK/M/yr  Financial reports  (e.g. Water‐Jet‐Sweden‐AB 2007) 

(2)  Sand Use per  Machine In Use & yr 

27  ton sand/M/yr  Experts at Waterjet Sweden (Jönsson 2008) 

(3)  Costs for RnD per yr  4,5  MSEK/yr  Waterjet marketing reports (Öhrlings‐Pricewaterhouse‐

Coopers 2003)  

(4)  Cost per ton sand  0,005  MSEK/ton sand  Experts at Waterjet Sweden (Jönsson 2008)  

(5)  GWP per ton sand  0,296  ton CO2 eq/ton sand 

Life cycle inventory of waterjet cutting (table 2). 

(6)  Tax Rate per GWP  0,0002  MSEK/ton CO2 eq  Emissions trading sites 

 

8.1.5 Calculation Algorithm Based on the model input data, (0) to (6), from figure 7 and table 3, the model uses the following equations to calculate the values of the output variables, (7) to (13), from figure 7: 

(7)  WJC Op Costs/yr =  (0) * (1) 

(8)  Income Tax/yr  =  0,2 * (7)

(9)  Sand Use/yr  =  (0) * (2) 

(10)  Sand GWP/yr  =  (9) * (5)

(11)  Sand Cost/yr  =  (9) * (6)

(12)  CO2 Tax/yr  =  (10) * (6)

(13)  WJC & Cutter Costs/yr  =  (3) + (7) + (8) + (11) + (12) 

Page 116: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper C 

103 

8.1.6 Model Development Process and Validation The computer model  is the result of an  iterative development process, where the  number  of  variables  and  relationships  have  been  gradually  reduced  to reach  a  suitable  complexity  level.  The models  were  first  calibrated  through initialization  in a “steady state"  (simplified starting values were kept constant until  the  end  of  the  runs  at  2030).  This  created  stable model  versions  that controlled experiments could be conducted on. After that, the same procedure was  repeated with  realistic  starting values  from 2007  for a waterjet machine production  life‐cycle.  Given  that  the  number  of machines  is  assumed  to  be constant throughout all scenarios, the 2007 data are consistently used as start values for all scenarios.  

8.2 Scenario Descriptions For the purpose of this study, focusing on the development of a combined FSSD and SMS methodology, and applying it in a first survey on waterjet cutting, we have  chosen  to  include  only  two  scenarios  –  one  baseline  scenario  where external  factors  and  stakeholder  responses  are  involved  and  one  scenario where some strategic WJC interventions have been added.  

8.2.1 Scenario 1. The ‘Baseline’ Case. No WJC interventions Sustainability  problems  are  assumed  to  increase  steadily  and  be  increasingly internalized into the economic system. This is reflected in a hundredfold rise in the aggregated GWP tax rate from the year 2013 to 2030 (from 200 to 20000 SEK/ton CO2)3.  

8.2.2 Scenario 2. The ‘Better’ Case. Proactive WJC Interventions. The  GWP  tax  rate  increases  exactly  as  in  scenario  1  but  here  the  company introduces two interventions: 

• From 2016 to 2020, a targeted project doubles the R&D spending and permanently reduces the sand use per machine and year from 27 to 20 tons; and  

• From 2018  to 2020,  the sand carbon  footprint  is significantly  reduced (from  0,3  to  0,027  ton  CO2/ton  sand)  by  substituting  the  Australian sand  for  locally‐sourced  alternatives.  In  order  to  ensure  comparable quality,  this  unfortunately  also means  that  the  sand  costs  increases from 5000 to 7000 SEK/ton sand.  

 

                                                            3  In  early  2009  a  ton  of  CO2  emissions was worth  about  100  SEK  on  the  emissions  trading markets. 

Page 117: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

104 

8.3 Scenario Results In  scenario  1  (figure  8),  the  increasing  sustainability‐related  stakeholder pressures  (GWP  tax  rate)  translates  into  almost  doubled  costs  for  waterjet producers and their cutting customers (from 110 to 177 MSEK/yr). In scenario 2 (figure 9), the  initial efficiency  intervention manages to dampen both the cost increases  and  the  sustainability  problems  but  it  is  not  until  the  second intervention  that  they  manage  to  break  the  trend  and  the  total  costs  are reduced and  level out close to the start level (111 MSEK/yr). At the same time the  sustainability  problems  are  significantly  reduced  as  a  result  of  the interventions. When  the new abrasive solution  is brought  in  the sand  related carbon dioxide emissions are reduced from 3240 to 216 ton CO2 eq/yr and the sand  consumption  from  10800  to  8000  ton  sand/yr.  In  other  words,  early dematerializations  (e.g.  the efficiency project) could pay  for more costly  later substitutions  (e.g.  the new abrasives project) and  simultaneously  significantly reduce  sustainability  problems.  The  optimal  timing  of  these  and  other interventions are of course also influenced by uncertain external factors. What is  for  example  the  likely  combined  demand  for  cutting  from  a  receding traditional  industry  and  a  growing  sustainability‐focused  manufacturing industry?  This  and  other  questions  are  likely  subjects  of  further  simulation studies. 

Page 118: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper C 

105 

 Figure 8. Results from Scenario 1 ‐ the ‘Baseline’ Case. How increasing GWP tax rates influence sand and carbon efficiency, sustainability problems and costs. 

0

5

10

15

20

25

30

ton Sand

/Machine

/yr

Sand Material Efficiency

Sand Use per Machine & yr

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

ton CO

2/ton Sand

GWP Efficiency

GWP per ton Sand

0

5000

10000

15000

20000

25000

Sustainability Problems

Sand GWP per yr(ton CO2 eq/yr)

Sand Use per yr(ton Sand/yr)

Tax rate per GWP(SEK/ton CO2 eq)

020406080

100120140160

MSEK/yr

CostsWJC & Cutter Costs per yr

WJC Op Costs per yr

Sand Cost per yr

Costs for  RnD & Innovation per yr

Income Tax per yr

CO2 Tax per yr

Page 119: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

106 

 Figure 9. Results from Scenario 2 ‐ the ‘Better’ Case. How WJC interventions could add to the influences on sand and carbon efficiency, sustainability problems and costs. 

0

5

10

15

20

25

30

ton Sand

/Machine

/yr

Sand Material Efficiency

Sand Use per Machine & yr

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

ton CO

2/ton Sand

GWP Efficiency

GWP per ton Sand

0

5000

10000

15000

20000

25000

Sustainability Problems

Sand GWP per yr (ton CO2 eq/yr)

Sand Use per yr (ton Sand/yr)

Tax rate (SEK/ton CO2 eq)

020406080

100120140160

MSEK/yr

CostsWJC & Cutter Costs per yr

WJC Op Costs per yr

Sand Cost per yr

Costs for  RnD & Innovation per yr

Income Tax per yr

CO2 Tax per yr

Page 120: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper C 

107 

9. Overall Case Study Recommendations The  aggregated  results  from  the  traditional  ABCD  assessment  and  the supporting conceptual and numerical SMS led to the following list of prioritized action steps: 

Medium Term Steps (2‐5 yrs): 

• Use efficiency gains to pay for eco‐labeled electricity and recycled raw materials; and 

• Divert  a  portion  of  the  company  profits  to  build  up  innovation competence  through  cooperation  with  other  actors  like  business incubators  and  academia  to explore new ways of making business  in the waterjet cutting industry on a sustainability driven market.  

When Resource Constraints and/or very harsh Climate Policies hit (5‐15 yrs): 

• Move away from virgin sand to  locally sourced abrasives (e.g. crushed rock)  and/or  do  a  similar  sustainability  analyses  as  in  this  study  on alternative abrasives; 

• Invent a  separation  system  in  the machine  so  sand and water can be reused internally or recycled; 

• Design for recyclability and use less damaging raw materials; and 

• Move  towards  selling  cutting  services  rather  than  just machines. This could  include advanced operators’ manuals and  training on efficiency and sustainability, a special deal on eco‐labeled electricity, spare parts and  software  and  hardware  upgrades,  and  a  complete maintenance, waste management and recycling solution. 

The waterjet  industry could get more  leverage  in marketing and sustainability improvement  by  becoming  aware  of  system‐wide  benefits  from  proactive actions and  should use  this when approaching  stakeholders  to work  together towards sustainability and profitability.  

Page 121: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

108 

10. Discussion 10.1 Theoretical Considerations On the one hand, Systems Modeling and Simulation (SMS) are often attempted for analyses and planning  in sustainable development. Outside  the realm of a robust principled definition of sustainability, and generic and  logical guidelines to approach such principles, there is a risk that even experienced modelers may miss  essential  aspects,  or  make  priorities  that  do  not  take  the  scope  of sustainability,  nor  the  strategic  step‐by‐step  elements,  into  full  account.  The Framework for Strategic Sustainable Development (FSSD) then provides a way to  complement  the  methodology.  The  framework  for  strategic  sustainable development  (FSSD),  on  the  other  hand,  has  previously  been  shown  to  be theoretically robust and directly applicable for real‐life planning at both senior management  and  product  development  levels,  also  in  relatively  complex matters. However, sometimes experience of the FSSD and collective knowledge do  not  suffice  alone  to  identify  all  aspects  and  their  relationships  clearly.  A demand  for expanded analyses,  including numerical modeling and simulation, evolves. SMS offers a solution. 

This article is a theoretical study that searches for how to complement the FSSD with SMS. We have identified some conditions for how three overarching SMS fields—Systems  Analysis  and  Dynamics  (SA  and  SD),  Agent  Based  (AB)  and Discrete  Event  (DE)—could  complement  the  FSSD  planning  process  (ABCD). SMS  tools  can  be  applied  as  needed  throughout  the  ABCD  process  to  study tradeoffs and  interrelationships between  listed  items  in order  to create more robust and refined analyses of the problem at hand, as well as of the possible solutions and investment paths. In this way, only those scenarios that are likely to ultimately end up within the overall frame of a future sustainable society are considered. 

10.2 Practical Considerations We  have  tested  the  proposed  integration  in  a  concrete  waterjet  cutting sustainability  planning  case.  The  case  study  shows  that  the  combined theoretical  strengths of FSSD and SMS  can be demonstrated also  in practice. The conceptual modeling facilitated a more consistent success description that added new items to the lists of relevant problems and solutions. In the process, we  have  developed  an  approach  to  select  result  indicators  based  on  the sustainability  principles  of  the  FSSD.  The  indicator  input  data  for  the simulations  was  also  gathered  through  a  life‐cycle  inventory  study,  thereby identifying  a  way  to  bring  such  static  snap‐shot  system  descriptions  into  a dynamic  systems modeling  and  simulation  exercise.  The numerical  computer scenarios  zoomed  in  on  an  identified  key  sustainability  ‘hot‐spot’:  how  to 

Page 122: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper C 

109 

efficiently manage  the  sand  component  of  the  cutting  process.  It was  found that the sustainability  impacts of this have been underestimated to date since not all relevant parts of the cutting life‐cycle have been systematically studied. In  line  with  the  experiences  in  the  field  of  innovation  (Thomke  2003),  the sustainability  impacts were  found  to decrease most quickly  and  affordably  if the company first focuses on  improved efficiency and only thereafter goes for more  innovative  changes  in  their  operations.  They  should  move  towards locally‐sourced abrasives,  rather  than  the  current  sand  solution  that depends on  ecosystem‐problematic  sourcing  as well  as  carbon‐heavy  transports  from Australia  throughout  the world.  The  company  experts  stated  that,  by  taking part in the modeling and simulation process, they got new perspectives on their own  system  and  how  alternative  decisions  could  influence  system  behavior over  time  (Jönsson 2008). They also expressed an  interest  to  take part  in  the further development of the resulting generic waterjet cutting simulation model. 

10.3 Further Work The authors’ working area, as well as the examples  in this text, primarily point toward  using  the  new  approach  for  systems modeling  and  simulation within sustainability  constraints  in  the  area  of  product‐service  development  and innovation. Nevertheless, the new approach  is  intended to be generic enough to be applicable in a variety of planning endeavors. We expect future research along  those  lines  to  provide  new  and more  precise  conclusions  as  regards efficient  pathways  towards  sustainability  in  a  number  of  different  industrial settings,  as  well  as  to  help  us  improve  the  emerging  integrated  planning methodology.   

Page 123: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

110 

11. References Bonabeau, E. and C. Meyer. 2001. Swarm  Intelligence: A Whole New Way  to 

Think About Business. Harvard Business Review 79(5): 106. Borshev, A. and A. Filippov. 2004. From Systems Dynamics and Discrete Event 

to Practical Agent Based Modeling: Reasons, Techniques, Tools.  In The 22nd  International  Conference  of  the  Systems  Dynamics  Society. Oxford, England: The Systems Dynamics Society. 

Broman, G., J. Holmberg, and K.‐H. Robèrt. 2000. Simplicity Without Reduction: Thinking Upstream  Towards  the  Sustainable  Society.  Interfaces 30(3): 13‐25. 

Byggeth,  S.  H.  and  E.  Hochschorner.  2006.  Handling  Trade‐offs  in  Ecodesign Tools  for Sustainable Product Development and Procurement.  Journal of Cleaner Production 14(15‐16): 1420‐1430. 

Campbell, C. J. 2005. Oil Crisis. Brentwood, UK: Multi‐Science Publishing Co. Ltd.  Cassandras, C. G. 2005. Discrete‐Event Systems. In Handbook of Networked and 

Embedded  Control  Systems,  edited  by D. Hristu‐Varsakelis  and W.  S. Levine. Boston, USA: Birkhäuser Boston. 

Everard, M., M. Monaghan, and D. Ray. 2000. 2020 Vision Series No2: PVC and Sustainability: The Natural Step UK/UK Environment Agency. 

Forrester,  J. W.  1961.  Industrial Dynamics.  Cambridge, Massachussetts, USA: Productivity Press.  

Garcia,  R.  2005.  Uses  of  agent‐based  modeling  in  innovation/new  product development  research.  Journal  of  Product  Innovation  Management 22(5): 380‐398. 

Holmberg,  J. and K.‐H. Robèrt. 2000. Backcasting  ‐ a Framework  for Strategic Planning.  International  Journal of Sustainable Development and World Ecology 7(4): 291‐308. 

Holmberg,  J.,  U.  Lundqvist,  K.‐H.  Robèrt,  and  M.  Wackernagel.  1999.  The Ecological  Footprint  from  a  Systems  Perspective  of  Sustainability. International  Journal  of  Sustainable  Development  and World  Ecology 6(1): 17‐33. 

Intergovernmental Panel on Climate Change  (IPCC). 2007.  Fourth Assessment Report. Climate Change 2007: Synthesis Report.   

International  Organization  for  Standardization  (ISO).  2006.  Environmental management  ‐  Life  cycle  assessment  ‐  Requirements  and  guidelines. ISO 14044. Geneva, Switzerland:   

Page 124: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper C 

111 

James, S. and T. Lahti. 2004. The Natural Step for Communities: How Cities and Towns  Can  Change  to  Sustainable  Practices.  Gabriola  Island,  British Columbia, Canada: New Society Publishers.  

Jönsson, A. 2008. Personal Communication with  the Research Director of  the Swedish  Waterjet  Lab  during  a  Waterjet  Sustainability  Assessment Meeting. Ronneby, Sweden, October 2008. 

Jönsson, A. 2009. Personal Communication with  the Research Director of  the Swedish Waterjet Lab. Ronneby, Sweden, May 2008. 

Korhonen, J. 2004. Industrial Ecology in the Strategic Sustainable Development Model: Strategic Applications of  Industrial Ecology.  Journal of Cleaner Production 12(8‐10): 809‐823. 

Leadbitter, J. 2002. PVC and Sustainability. Progress in Polymer Science 27(10): 2197‐2226. 

Macal,  C. M.  and M.  J.  North.  2005.  Tutorial  on  agent‐based modeling  and simulation.  Paper  presented  at  37th  Winter  Simulation  Conference, Orlando, Florida, USA. 

MacDonald, J. P. 2005. Strategic Sustainable Development Using the ISO 14001 Standard. Journal of Cleaner Production 13(6): 631‐644. 

Meadows,  D.  H.  1999.  Leverage  Points.  Places  to  Intervene  in  a  System.  Hartland, Vermont, USA: The Sustainability Institute.   

Meadows, D. H., J. Randers, and D. l. Meadows. 2004. Limits to Growth: The 30‐Year  Update.  White  River  Junction,  USA:  Chelsea  Green  Publishing Company.  

Millennium Ecosystem Assessment (MEA). 2005. Ecosystems and Human Well‐being: Our Human  Planet:  Summary  for Decision‐makers  (Millennium Ecosystem Assessment). Chicago, IL, USA: Island Press.  

Mintzberg, H., J. Lampel, and B. Ahlstrand. 1998. Strategy Safari: A Guided Tour Through  the  Wilds  of  Strategic  Management.  New  York,  USA:  Free Press.  

Montgomery, C. A. and M. E. Porter, eds. 1991. Strategy: Seeking and Securing Competitive Advantage. Boston, Massachussets, USA: Harvard Business School Press.  

Nattrass,  B.  1999.  The  Natural  Step:  Corporate  Learning  and  Innovation  for Sustainability.  Doctoral  Thesis.  The  California  Institute  of  Integral Studies, San Francisco, California, USA. 

Ny, H., S. Hallstedt, K.‐H. Robèrt, and G. Broman. 2008. Introducing Templates for  Sustainable  Product  Development  through  a  Case  Study  of Televisions at Matsushita Electric Group.  Journal of  Industrial Ecology 12(4): 600‐623. 

Page 125: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

112 

Ny,  H.,  J.  P. MacDonald,  G.  Broman,  R.  Yamamoto,  and  K.‐H.  Robèrt.  2006. Sustainability  Constraints  as  System  Boundaries:  An  Approach  to Making Life‐cycle Management Strategic.  Journal of  Industrial Ecology 10(1). 

Rees, W. E. and M. Wackernagel. 1994. Ecological Footprints and Appropriated Carrying Capacity: Measuring  the Natural Capital Requirement of  the Human  Economy.  In  Investing  in  Natural  Capital:  The  Ecological Economics Approach  to  Sustainability,  edited by A. M.  Jansson,  et  al. Washington (DC), USA: Island Press. 

Resort Municipality of Whistler (RMOW). 2007. Whistler 2020: Moving toward a Sustainable Future (2nd edition). Whistler, Canada: RMOW.   

Robèrt, K.‐H. 1997.  ICA/Electrolux  ‐ A case report from 1992. Paper presented at 40th CIES Annual Executive Congress, 5‐7 June, Boston, MA. 

Robèrt, K.‐H. 2000. Tools and Concepts  for Sustainable Development, How do They Relate to a General Framework for Sustainable Development, and to Each Other? Journal of Cleaner Production 8(3): 243‐254. 

Robèrt,  K.‐H.  2002.  The  Natural  Step  story  ‐  Seeding  a  Quiet  Revolution. Gabriola Island, British Columbia, Canada: New Society Publishers.  

Robèrt, K.‐H.,  J. Holmberg, and E. U. v. Weizsacker. 2000. Factor X  for Subtle Policy‐Making. Greener Management International (31): 25‐38. 

Robèrt, K.‐H., H. E. Daly, P. A. Hawken, and  J. Holmberg. 1997. A compass  for sustainable  development.  International  Journal  of  Sustainable Development and World Ecology 4: 79‐92. 

Robèrt, K.‐H., B. Schmidt‐Bleek,  J. Aloisi de Larderel, G. Basile,  J. L.  Jansen, R. Kuehr,  P.  Price  Thomas, M.  Suzuki,  P. Hawken,  and M. Wackernagel. 2002.  Strategic  Sustainable  Development  ‐  Selection,  Design  and Synergies  of Applied  Tools.  Journal  of  Cleaner  Production  10(3):  197‐214. 

Schmidt‐Bleek,  F.  1997. MIPS  and  factor  10  for  a  sustainable  and  profitable economy. Wuppertal, Germany: Wuppertal Institute.   

Scholl, H. J. and S. E. Phelan. 2004. Using  integrated top‐down and bottom‐up dynamic  modeling  for  triangulation  and  interdisciplinary  theory integration:  The  Case  of  Long‐term  Firm  Performance  and  Survival. Paper  presented  at  22nd  International  System  Dynamics  Conference (ISDC), Oxford, UK. 

Senge,  P. M.  1990.  The  Fifth Discipline:  The Art  and  Practice  of  the  Learning Organization. New York, USA: Doubleday/Currency.  

 

Page 126: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper C 

113 

Steffen, W., A. Sanderson,  J.  Jäger, P. D. Tyson, B. Moore  III, P. A. Matson, K. Richardson,  F.  Oldfield,  H.‐J.  Schellnhuber,  B.  L.  Turner  II,  and  R.  J. Wasson,  eds.  2004.  Global  Change  and  the  Earth  System:  A  Planet Under  Pressure,  IGBP  Book  Series.  Heidelberg,  Germany:  Springer‐Verlag.  

Sterman,  J. D. 2000. Business Dynamics. Systems Thinking and Modeling  for a Complex World. Boston, USA: Irwin McGraw‐Hill.  

Stern, N. 2006. Stern Review on the Economics of Climate Change. London, UK: HM Treasury.   

Thomke, S. H. 2003. Experimentation Matters: Unlocking the Potential of New Technologies  for  Innovation.  Boston,  USA:  Harvard  Business  School Press.  

Water Jet Sweden AB. 2007. Sign‐Up Invitation for Stocks in Water Jet Sweden AB (in Swedish). Ronneby, Sweden: Water Jet Sweden AB.   

Water  Jet  Sweden  AB.  2008.  Annual  Report  2007  (in  Swedish).  Ronneby, Sweden: Water Jet Sweden AB.   

Öhrlings Pricewaterhouse Coopers. 2003. The Market Position of the Waterjet Technique (in Swedish). Karlskrona, Sweden: Öhrlings Pricewaterhouse Coopers.   

Öjmertz, C. 2006. A Guide  to Waterjet Cutting. Mölnlycke, Sweden: Water  Jet Sweden AB.   

Page 127: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

114 

 

Page 128: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper D 

115 

Paper D

Benefits of a Product-Service System Approach for Long-life Products:

The Case of Light Tubes  

Page 129: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

116 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

Paper D is published as: 

Thompson,  A. W.,  H.  Ny,  P.  Lindahl,  G.  Broman  and M.  Severinsson  (2010). Benefits of a Product Service System Approach for Long‐life Products: The Case of Light Tubes. 2nd CIRP  International Conference on  Industrial Product‐Service System  (IPS2).  The  International  Academy  for  Product  Engineering  (CIRP). Linköping, Sweden. 

Page 130: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper D 

117 

 Benefits of a Product Service System Approach for

Long-life Products: The Case of Light Tubes  

A. W. Thompson1 H. Ny1 P. Lindahl1 G. Broman1 Mikael Severinsson2 

 

 

Abstract Products  designed  for  long‐life  often  have  significant  potential  for  better sustainability  performance  than  standard  products  due  to  less material  and energy usage for a given service provided, which usually also results in a lower total  cost. These benefits  are not  always obvious or  appealing  to  customers, who  often  focus  on  price.  Long‐life  products  are  therefore  at  an  inherent disadvantage:  due  to  lower  volume  of  sales  that  results  from  the  products’ longer‐life,  the  margins  (price)  often  need  to  be  higher.  In  this  paper,  we demonstrate  that when  the  revenue base  is  shifted  to be  the  service of  light (instead of the sales of light tubes), there is an opportunity for a “win‐win‐win” for  the  light user,  the  long‐life  light provider and  society. Through a product‐service system approach, resulting  in a well‐communicated total offer, the full array of benefits becomes  clearer  to  the  customer,  including  that  they avoid the high initial cost.  

 

Keywords: Sustainability performance, long‐life products, product‐service system, value chain, modeling   

Page 131: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

118 

1. Introduction This study has come about through a partnership between researchers at BTH and  Aura  Light  International  AB  (Aura)  which  produces  long‐life  fluorescent light‐tubes  with  a  life‐length  that  is  three  times  longer  than  the  industry average. Like many firms, Aura Light  is  increasingly aware of the opportunities and risks being presented by an increasingly sustainability‐driven market [1‐2]. The Sustainability Assessments research team at BTH has specific competence with strategic sustainable development (SSD) [3‐4] and application of SSD in the context  of  product  development  [5‐6]. Due  to  the  long‐life  nature  of  Aura's product,  there  are  challenges when  competing with producers of  "standard" life‐length  light‐tubes,  i.e.  Aura  has  1/4  as many  opportunities  to  generate revenue  from  the  sales  of  a  physical  product  as  its  competitors.  From  a sustainability  perspective,  the  long‐life  product  is  obviously  worth  exploring since it reduces material flows by approximately one‐fourth. 

The  concept  of  product‐service  systems  (PSS)  has  been  defined  as  a  system joining products and services in order to meet customer needs. It emphasizes a shift  in the focus from selling physical product to selling the function provided by  this  combination  of  products  and  services.  Definitions  of  PSS  typically include  reference  to  increased  competitiveness  of  PSS  providers.  Some definitions  do  not  explicitly  include  reference  to  reduced  environmental impacts e.g. [7‐8]. However, PSS definitions frequently also include reference to reduced negative environmental impacts, e.g. [9‐11]. 

Tukker  has  articulated  two  concrete  questions  that  he  suggests  are  often overlooked when analyzing PSS: First, “which factors determine whether a PSS business model  is  the best way  to  create  value  added?”  and  second,  “which factors determine whether a PSS business model per se generates less material flows  and  emissions  than  the  competing  product  oriented models,  and  thus provides  incentives  for  sustainable  behavior?"  [12].  These  two  questions (creating added value and  reduced material  flows and emissions) make a PSS approach for Aura Light an interesting consideration. 

This paper explores the concept of product‐service systems as a potential way of  overcoming  this  contradiction  between  reduced  number  of  revenue‐generating  opportunities,  desire  for  increased  revenue,  and  demand  for  less negative  sustainability  impacts.  Through  the  example,  this  paper  will demonstrate  the potential  for a company with an existing  long‐life product  (a physical product designed  for a  significantly  longer average useful  life  than a “regular” product) to consider if it can have a competitive PSS‐offer. 

 

Page 132: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper D 

119 

 

2. Methods Two  approaches  to  selling  the  service  of  light  are  compared:  the  first  a producer  of  standard‐life  light‐tubes,  and  the  second  a  producer  of  long‐life light‐tubes. For each approach, the economics of the approach are considered from the perspective of the user and the primary provider. The socio‐ecological sustainability  implications  (i.e. broader society) are also considered. Thus, this paper considers four scenarios from three different perspectives. 

Four scenarios: 

• Standard‐life light tube sold as a physical product • Standard‐life light tube sold as a PSS offer • Long‐life light tube sold as a physical product • Long‐life light tube sold as a PSS offer Three perspectives: 

• Customer (economic ‐ cost of light) • Producer (economic ‐ profit) • Society (socio‐ecological sustainability) The  prices  and  costs  here  are  provided  for  illustrative  purposes  and  are  not actual  figures  from  a  company.  The  researchers were  “kept  in  the  dark”  in order  to not  compromise  sensitive  information,  and  thus  these  figures  come from a survey of the lighting industry. The following assumptions are made for this analysis: 

• Long‐life light‐tubes lasts 4x longer than standard‐life light‐tubes (12 yrs vs. 3 yrs at 4000 h/yr) 

• Sales price is 4x higher for long‐life light‐tubes (10 € vs. 2,50 €) • Cost to replace a light‐tube (e.g. labor, disposal fee, and downtime) is 5€ • Light fixtures are pre‐existing (so not included here) • Both light‐tubes use them same amount of electricity • Both light‐tubes provide the same amount of light • Electricity cost is 0,10 €/kWh • Annual discount rate of 3% • No "rebound effect" will occur because of a shift from product to PSS offer 

2.1 Customer (economic) perspective To  answer  Tukker's  first  question  from  the  customer’s  perspective,  a  simple life‐cycle cost model considers the economic aspects of the four scenarios from the customer  (light‐user) perspective. Here the cost to the customer for  light‐tubes  (as  either  a purchased product or  a PSS)  and  replacement of  the  light 

Page 133: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

120 

tubes are considered for providing 4000 hours of  light per year for a period of 12 years. A discount  rate  is  included due  to  the  long  time period considered. Pricing alternatives are not optimized  in any way;  the prices used are only  to demonstrate  the way  in which  long‐life products  are able  to  capture and  re‐direct value to the producer and user. 

Two criteria are considered  for  the customer: cost  in  the  first year, and  total cost  for  light over 12 years. Twelve years  is used because  it  is  the  lifetime of one long‐life light tube. 

A price  for the annual service of using a  light‐tube  is set to 1 €. This rate was obtained by setting the net present value of the revenue generated by a  long‐life  light‐tube  that  is  provided  as  a  PSS‐offer  for  12  years  equal  to  the  net present value of  the  revenue generated by  selling one  light‐tube  that has an expected life of 12 years. 

2.2 Producer’s (economic) perspective For a PSS‐offer to be possible, it must also be profitable for the offer provider in addition to being attractive to the customer. In this case, the long‐life light tube producer is trying to lower total cost to the customer while capturing for itself enough of the value realized through that cost savings to be competitive with the producers of  standard‐life  light‐tubes.  This  is  represented by  exploring  if the  customer  savings  is  significant  enough  to  compensate  for  the  reduced number of  light‐tubes the customer must use to meet  its need for  light. All of the costs incurred by the customer are mapped, the costs that can be reduced by  the  long‐life offer are noted, and a decision  is made  regarding whether or not  the PSS‐approach  is profitable. Note  that company data  is not able  to be published, so illustrations are used to demonstrate the concept. 

2.3 Society’s (sustainability) perspective As a prelude to answering Tukker's second question regarding reduced material use  and  emissions,  an  approach  is  taken  that  incorporates  a  strategic sustainability perspective  in order  to not only quantify material and emission reductions,  but  also  to  be  sure  that  the  scenario  is  not  causing  other sustainability issues. This is done by using an approach called “backcasting from sustainability principles” that states there are four basic principles that will be met by a society that  is sustainable [3; 13; 14‐15]. These basic principles state that in a sustainable society, nature is not subject to systematically increasing: 

1. concentrations of substances extracted from the earth’s crust; 2. concentrations of substances produced by society; 3. degradation by physical means, and 

Page 134: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper D 

121 

4.  in  that society, people are not subject  to conditions  that systematically undermine their capacity to meet their needs. 

Since these are principles for sustainability of global human society, we assume that companies, products, or PSS that comply with these conditions  (and thus do not contribute to society’s sustainability problems) will have a competitive advantage compared to those that do not meet these principles. 

For  the  sustainability  assessment,  a  strategic  life  cycle management  (SLCM) approach is used to consider how the scenarios comply with basic principles for global  socio‐ecological  sustainability during  each of  the  life  cycle  stages  [15]. This  approach  is  used  in  order  to  first  take  a  strategic  overview  of  the sustainability implications before attempting to provide a quantitative response to Tukker's second question regarding energy and material flows; this allows a full  sustainability  perspective  so  that  as  some  challenges  are  addressed  (e.g. material and energy reduction), other sustainability challenges are not created unintentionally.  The  SLCM  approach  is  implemented  by  using  a  strategic  life cycle matrix to identify any differences between the offers being considered. 

The  columns  in  the matrix  refer  to  those  basic  principles  for  a  sustainable society. The rows  in the matrix refer to  life cycle stages of the product or PSS. This  allows  for  the  identification  of  any  current  or  future  sustainability challenges related to the life cycle of the product. See the matrix in Figure 1. 

  Principle 1 

Principle 2 

Principle 3 

Principle  4 

Materials 

List of aspects of the offer that are  not in compliance for each life cycle  stage and sustainability principle 

 

Production 

Packaging & distribution 

Use 

End of Life 

Figure 1: Strategic Life Cycle Management Matrix. 

One matrix  is  completed  for  each  product  or  PSS  being  considered,  and  if differences are  identified, then a more  in‐depth assessment can be conducted to consider the trade‐offs. This step is in realization that “sustainable behavior” is not only about reducing material  flows and emissions, and that by  focusing 

Page 135: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

122 

only  on  these  two  items  there  is  a  significant  risk  of  sub‐optimization  of sustainability performance. 

After obtaining a strategic overview from the matrix, there is an opportunity to go  into more  detail  to  allow  for  the  quantification  of  relative  environmental impacts. Life Cycle Assessment (LCA) [16] is a tool suited for such a quantitative analysis, and has been referred to as a complementary tool in PSS development in  other  places  [17].  The  LCA  software  tool  Simapro,  utilizing  EcoInvent  [18] data, along with some assumptions with regard to transportation and energy, is used  to  obtain  some  order‐of‐magnitude  estimates  regarding  environmental impacts  due  to  reduced  material  use  from  the  long‐life  product  over  the product’s life cycle. While this is not an ISO 14040‐certifiable LCA (that process requires  a  much  more  rigorous  process  for  goal  setting  and  scoping,  data collection and verification, and impact assessment), this can be performed in a few hours to obtain an approximation of the improvement across the product's life cycle. 

3. Results 3.1 Results of Economic Assessment The boundaries of this study with regard to the value chain focus foremost on the  producer  of  the  light‐tube  and  the  light  user.  Because  it  requires  four standard‐life  light  tubes  and  the  associated  activities  throughout  their  life cycles to match the useful  life of one  long‐life  light tube, the costs throughout the value chain recur  four  times  for  the standard‐life  light  tube  for every one time in the long‐life light tube’s life cycle. This is illustrated in Figure 2. 

 

Page 136: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper D 

123 

 Figure  2:  Activities  where  costs  are  incurred  over  the  light  tube  life  cycle  when providing 48 000 hours of light with standard‐life light‐tubes (a) compared to 1 long‐life light tube (b). Bold boxes show costs incurred in (a) only. 

3.1.1 Light Customer Perspective Economic considerations for the light user are presented in Table 1. Regarding initial cost, the long‐life light tube sold as a product has a significantly higher cost than the other scenarios: 15 € (10 € for the light‐tube in addition to the 5 € cost of tube installation) compared to either 7.50 € or 6 €.   

Page 137: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

124 

Table 1: Customer costs of  light‐tubes and  light  in € over 12 years  (48 000 hours of light). 

Customer Perspective: Costs 

Standard life  Long life 

Year  Product  PSS  Product  PSS 

2010  7,50  6,00  15,00  6,00 

2011  0,00  1,00  0,00  1,00 

2012  0,00  1,00  0,00  1,00 

2013  7,50  6,00  0,00  1,00 

2014  0,00  1,00  0,00  1,00 

2015  0,00  1,00  0,00  1,00 

2016  7,50  6,00  0,00  1,00 

2017  0,00  1,00  0,00  1,00 

2018  0,00  1,00  0,00  1,00 

2019  7,50  6,00  0,00  1,00 

2020  0,00  1,00  0,00  1,00 

2021  0,00  1,00  0,00  1,00 

Total  30  32  15  17 

Net Present Value  24,39  25,64  14,42  14,19 

Users of light have lower costs by using the long‐life tubes, either by purchasing them  outright  or  by  accessing  the  light  tubes  through  a  PSS‐offer.  In  this example, the 15 € difference between the total for standard‐life and the total for  long‐life  is  simply  the  three  installations  (5 € each)  that  are not  required with  the  long‐life  option.  This  difference  remains  significant  when  the  net present  value  is  considered,  so  here  it  seems  that  either  of  the  long‐life scenarios would be preferred by the customer. 

Considering both  the  initial cost and  the  full costs over 12 years,  the  long‐life light tube offered as a PSS appears most attractive to the customer. 

3.1.2 Light Producer Perspective The  long‐life  light‐tube producer’s  challenge  is  to do  two  things  at  the  same time: first, to  lower costs to the customer  in order to make the  long‐life offer 

Page 138: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper D 

125 

attractive, and second to  increase the revenue that the customer  is paying for the  light‐tubes  (again  remembering  that  the  long‐life producer  is  selling one‐fourth as many  tubes as a  standard‐life  light‐tube producer). Actual numbers from  the company are confidential, but  this concept  is  illustrated  in Figure 3. Electricity costs are also included in the diagram in order to show the total life cycle  costs  of  the  customer  (i.e.  electricity  is  greater  than  90%  of  the customer’s cost). 

 Figure 3a: Total customer costs for light during 12 year with a standard‐life light tube sold as a product. 

 Figure 3b: Total customer costs for light during 12 year with a long‐life light tube sold as a PSS. 

For the light consumer and the light‐tube producer, there is an opportunity for the long‐life light‐tube to be mutually beneficial because it captures value that is  otherwise  distributed  throughout  other  actors  in  the  value  chain.  In  this example, the captured value includes: 

Page 139: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

126 

1. Savings by cost reduction due  to changing tubes 1/4 as often  (savings include e.g. the expense of manual labor and disruption to operations), and 

2. Increased efficiency of light provided per material/energy input (1/4 as much  material  required  and  1/4  as  much  energy  for  production, transport, etc. excluding the use phase) 

3.2 Results of Sustainability Assessment 3.2.1 Strategic Life Cycle Management Matrix Due  its  focus on  a qualitative overview  to  identify  all potential  sustainability concerns, the SLCM approach provides no distinction between the standard‐life and  long‐life  light  tubes.  This  is  because  the  life‐cycles  of  both  light‐tubes contain the same sustainability concerns from a strategic overview perspective. See an example of a partially completed SLCM matrix for light tubes in Table 2. 

Based on this conclusion, one can then say that probably the scenario that has less  energy  and material  flows  is  the  “more  sustainable”  alternative. With  the  long‐life product reducing  the raw materials, manufacturing, maintenance (e.g. light‐tube replacement) and end‐of‐life phases of the light‐tube’s  life  cycle  by  three‐quarters,  it  clearly  has  environmental benefits over the standard‐life light‐tube (assuming that energy use for illumination is the same for both light‐tubes). 

3.2.2 Quantification of Environmental Impacts Estimates are made using EcoInvent data  in the  life cycle assessment software tool Simapro. To make some quick estimates, these values were assumed: 

• 150 kg‐km of transport for light‐tube components • 100 kg‐km transport of light‐tube to customer • 2400 kWh of electricity from the Swedish grid • IPCC GWP 100a as the impact assessment method 

This  resulted  in  electricity  during  the  use  phase  being  about  94%  of  the environmental impact. 

Then  the electricity source was changed  to  the US grid, which  resulted  in  the impacts due  to electricity use being on  the order of 99%. This assessment  is sufficient for us to say that the global warming potential (using IPCC GWP 100‐year) of using  the  long‐life  tubes with “dirty” electricity  is about 3%  less  than standard tubes, and on the order of 17% less on a “clean” grid. In this scenario, the GWP is reduced on the order of 10%, even though material use is reduced by a factor of 4. 

 

Page 140: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper D 

127 

Table 2: Example of an SLCM Matrix for light‐tubes. 

  SP1  SP2  SP3  SP4 

Materials  MercuryCopper Lead 

Solvents in marking ink 

Land change due to mining 

Worker safety 

Production  Lead  Flame retardants

Cleaning chemicals 

  

 

Packaging Distribution

Use of fossil‐based plastics 

  Land  use for transport

 

Use  Use of fossil energy 

    Ballast noise  

End of Life      Land change used  for landfill 

 

 

4. Summary of results The authors choose not  to go  into  further detail with  the LCA because  this  is not  a  trade‐off  situation:  the  long‐life  light  tubes  win  from  the  producer’s economic  perspective,  the  consumer’s  economic  perspective,  and  a  broader societal perspective (from fewer negative sustainability implications) and there is no need to more exactly quantify the extent to which a long‐life light tube is “less  bad”  than  a  standard‐life  light  tube.  Furthermore,  on  a  sustainability‐driven market where costs related to material and energy flows are expected to increase,  the  benefits  from  minimizing  those  flows  are  only  expected  to increase. 

Page 141: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

128 

   Figure 4: Approximate environmental impacts per  life cycle stage of a  long‐life  light‐tube showing relative high impact during use phase. 

 

 Figure 5: Environmental  impact comparison between one  long‐life  light tube (a) and three  standard‐life  light‐tubes  (b).  Vertical  bars  represent  the  life  cycle  stages  in Figure 4. Top bar  (a)  shows  the  long‐life product, with 1/4 of  impacts  from  stages other  than  use,  compared  to  bottom  bar  (b)  that  shows  standard‐life  product. Impacts from use phase are the same for both. 

If,  in  line with  current practice,  revenue  comes  from  the  sales of  light‐tubes, then the  long‐life producer earns more profit than standard‐life producer and the  customer  has  a  lower  total‐life  cost,  but  the  customer  balks  at  the  high initial cost.  It  is only when the  long‐life product  is used as the basis for selling 

Page 142: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper D 

129 

light that the long‐life producer really wins: the long‐life producer has a higher profit  and  the  customer  has  both  a  lower  total  life  cost  and  an  initial  price similar to what is offered by the standard‐life product. The trade‐off is that the producer must then front the capital costs for production.  

Table 3: Summary of assessments. 

  Standard Life  Long Life 

Product  PSS  Product  PSS 

Consumer 

(Initial cost) 

Prefer: lower initial cost 

Prefer: lower initial cost 

 Prefer: lower initial cost 

Consumer (total cost for 48 000 hours of light) 

    Prefer: lower total cost 

Prefer: lower total cost 

Producer 

     

Prefer: because customer prefers 

Society 

(full sustain‐ability) 

no differences identified 

Society 

(reduced materials and emissions) 

   Prefer: lower material and energy flows 

Prefer: lower material and energy flows 

 

5. Discussion This paper uses many of the same logical arguments in favor of a PSS approach that  have  been  offered  by  early movers  in  this  field.  The  contribution  here comes  from  shifting  the  starting  point  of  those  arguments,  particularly emphasizing  that  products  designed  for  long‐life  gain  competitive  advantage through a PSS offer by capturing value that  is otherwise distributed elsewhere in the value chain. Rather than having a regular product evolve  into a PSS and then  work  toward  longer‐life,  we  start  with  a  long‐life  product  that  gains competitive advantage by  selling  the  function  it provides: a different path  to the same result. 

Page 143: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

130 

5.1 Economics of Long-Life Products and PSS Long‐life  products  have  the  potential  to  capture  value  that  can  be  shared between  producers  and  consumers.  However,  consumers  may  hesitate  at paying the price of the long‐life tube that allows a long‐life manufacturer to be competitive –  remember  that  long‐life producers have only a  fourth as many products to sell, and thus must earn higher margins per light‐tube to generate similar net incomes. Thus a PSS‐approach based on offering the service of light is one possible approach for the long‐life light‐tube manufacturer. The example given here is only a limited PSS offer, and there is substantial more opportunity for a long‐life light‐tube provide to transition more toward the service‐end of a PSS offer. This paper limits itself to a slight shift toward a PSS offer to make its point. The authors acknowledge  that multitude of additional opportunities  to shift even farther toward the service end of the PSS spectrum. 

What  needs  to  happen  from  a  PSS‐development  perspective,  then,  are  two things.  First,  to  lower  the  cost  to  the  customer,  and  second,  to  increase  the revenue to the primary producer; so, the smaller the difference between these two  (i.e.  “primary  producer  revenue”  –  “user  cost”),  the more  opportunity there is for the primary producer to make an offer that is attractive to the user. This is simply saying that PSS‐developers need to look at broader life cycle costs of  a  PSS‐offer,  and  not  only  the  production  costs within  its  own  operation. Currently  this  idea  that  a  long‐life  light‐tube  reduces  life  cycle  costs  is emphasized by Aura in its sales approach. Yet Aura still sells its light‐tubes in a traditional way. This opens the opportunity to package both existing light‐tube hardware and additional services into an offer to light users. 

5.2 Assessing Sustainability The  methods  used  to  assess  the  sustainability  of  concepts  in  this  paper complement Tukker's implication that reduced energy and material flows leads toward more  sustainable  behavior.  Tukker’s  assumption  is  generally  correct with  one  significant  caveat:  that  the materials  and  energy  sources  have  the same types of sustainability impacts. If, for example, the long‐life product in our comparison  contained  substances  that  are  not  included  in  the  standard‐life product  in  order  to  give  it  the  long‐life  property,  then  a  more  thorough assessment  of  the  implications  of  the  different materials would  need  to  be conducted.  This  is  certainly  the  case  when  comparing  other  lighting technologies  ranging  from  the  soon‐to‐be‐banned  incandescent bulb  to  LEDs, with  the  range  of  rare metals  they  often  require. An  SLCM matrix  for  these alternative lighting technologies demonstrates significantly different results. 

However,  the  two  physical  products  (standard‐life  and  long‐life  light  tubes) compared in this example do not differ in any significant way with regard to the 

Page 144: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper D 

131 

materials throughout the life cycle of the product. The same materials are used in  each  tube,  only  in  different  quantities.  If  instead,  the  comparison  was between  long‐life  fluorescent  tubes,  incandescent  bulbs  and  LEDs,  then  the SLCM  approach  would  have  identified  as  a  significant  difference  that fluorescent tubes use mercury, or that LEDs use other rare metals. Traditional approaches to only quantify the differences  in material and energy flows may miss  this  point,  or  may  unintentionally  focus  on  energy  reduction  without awareness of sustainability trade‐offs of doing so. The authors do not suggest that such a decision  is a bad decision – rather only that  it should  indeed be a decision, and not an unintended consequence. 

5.3 Value Chain Cooperation A  point  to  clarify  is  the  difference  between  providing  alternative  financing methods  (i.e.  the  long‐life  manufacturer  providing  financing  options  to eliminate  the  light  consumer’s  balking  at  high  initial  cost)  and  having  a  PSS offer. The former does not provide an opportunity for the  light‐tube producer to capture the value that comes from eliminating the cost of replacing the light‐tubes;  it  rather passes all of  that value directly  to  the  light user. By not only considering, but rather outright claiming for itself that value – and being willing to  share  that  value  with  the  customer  –  the  long‐life  producer  has  the opportunity to be competitive with standard‐life light‐tube producers. 

It  is  important  to  note  that  other  value  chain  actors  –  particularly material suppliers  for  the  light‐tube production and  service‐providers who  change  the light‐tubes– are likely to lose value when the long‐life light‐tubes are used due to  the  reduced  number  of  light‐tubes  that  are  used. While  it  is  outside  the scope of  this paper  to  consider  the  impacts of  this,  the authors  suggest  that there could be an opportunity to engage those extended value chain partners in discussions of opportunities for new innovations in the value chain to better adapt  the value chain  to a PSS offer  so  that value chain partners are not  left behind or otherwise preventing the transition to a PSS offer. 

5.4 Full System Perspective The long‐life aspect of the light‐tube reduces the need for changing light‐tubes, and this consideration follows Mont’s [19] suggestion that a PSS needs to take a full  system  perspective.  Precisely  by  taking  this  full‐system  perspective,  the long‐life product identifies opportunities in the value chain to add value to the customer, and thus addresses Tukker’s first point about determining the value creation of  the PSS business model. Tukker’s  second point  regarding  reduced material flows is clearly addressed through the nature of the long‐life product – and  importantly  –  is  addressed  in  this  particular  case  without  significant concern of a rebound effect. 

Page 145: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

132 

Continuing  to  take a  full  system perspective, we must also acknowledge  that the majority of both cost and environmental  impact are due to electricity use. Throughout  this paper we have not  taken  into  consideration what either  the producer or user might do  to  reduce  costs/impacts  related  to electricity use, but  rather  have  only  assumed  that  electricity  use  for  either  standard‐life  or long‐life  light‐tubes are the same. As part of a PSS‐offer, certainly there could be opportunities for a “provider of the service of  light” to  incorporate ways to reduce lighting needs and further share the cost savings between the provider and user. 

Other  concerns  related  to  long‐life products  should not be overlooked  in  the practical  consideration  of  sustainability  issues.  One  such  consideration  is technology  change: with a usable  life of up  to 12 years,  it  is quite  likely  that lighting  technology will  advance  during  that  time  and  become more  energy efficient. With the vast majority of energy use (and thus arguably the majority of negative sustainability impacts) coming from the use phase, it is possible that “locking  into”  a  technology  with  such  a  long  life  would  result  in  increased energy use. A further shift toward the service end of the PSS approach would also further shift this burden from the user to the producer – whether good or bad, this is something to be aware of. 

6. Conclusion This paper extends the same logical arguments in favor of a PSS approach that have been offered by early movers in this field by shifting the starting point of those arguments. Here the emphasis is that products designed for long‐life gain competitive advantage through a PSS offer by capturing value that is otherwise distributed elsewhere in the value chain. Rather than having a regular product evolve into a PSS and then working toward longer‐life, it is possible to start with a long‐life product that gains competitive advantage by selling function: this is a different path to the same result. 

Specifically, this paper shows how value can be captured through cost‐savings and then re‐distributed directly to the consumer or the producer. Estimates of life cycle costs are made,  including acknowledgement of the need to consider discount  factors  in  economic  analysis of products designed  for  long‐life.  This economic  assessment  addresses  the  life  cycle  costs  of  the  acquiring  the function of light from the user’s perspective, and addresses in simple terms the economic viability of a PSS‐offer from the light‐tube producer’s perspective. 

The  long‐life manufacturer  creates value by producing  long‐life products  that reduce  the  need  to  replace  light‐tubes,  and  the  challenge  is  to  capture  that value  because  it  is  not  contained  within  the  value  offer  with  their  current business model. The value the long‐life manufacturer creates essentially lies in 

Page 146: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Paper D 

133 

the hands of their customers who, of course, appreciate the value created since it  reduces  their  lighting  costs.  However,  those  light  consumers  are  not necessarily willing to share this value (savings from not needing to change light tubes) by paying a premium to the  long‐life producer. Therefore the producer must  find  opportunities  to  capture  that  value,  and  a  PSS‐approach  provides such an opportunity. 

7. References Azar, C.,  J. Holmberg and K. Lindgren  (1996). "Methodological and  Ideological 

Options.  Socio‐ecological  indicators  for  sustainability."  Ecological Economics 18: 89‐112. 

Baines, T. S., H. W. Lightfoot, S. Evans, A. Neely, R. Greenough,  J. Peppard, R. Roy, E. Shehab, A. Braganza, A. Tiwari, J. R. Alcock, J. P. Angus, M. Bastl, A. Cousens, P. Irving, M. Johnson, J. Kingston, H. Lockett, V. Martinez and P.  Michele  (2007).  "State‐of‐the‐art  in  product‐service  systems." Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers; Part B; Journal of Engineering Manufacture 221(10): 1543. 

Berns, M.,  A.  Townend,  Z.  Khayat,  B.  Balagopal, M.  Reeves  and M.  Hopkins (2009).  "The  Business  of  Sustainability:  What  It  Means  to  Managers Now." MIT Sloan Management Review 51(1): 20‐26. 

Broman,  G.,  J.  Holmberg  and  K.‐H.  Robèrt  (2000).  "Simplicity  Without Reduction:  Thinking  Upstream  Towards  the  Sustainable  Society." Interfaces 30(3): 13‐25. 

Goedkoop,  M.,  C.  van  Halen,  H.  te  Tiele  and  P.  Rommens  (1999).  Product Service  Systems:  Ecological  and  Economic  Basics.  Report  for  Dutch Ministries of Environment (VROM) and Economic Affairs (EZ). 

Hallstedt,  S.  (2008).  "A  Foundation  for  Sustainable  Product  Development." Doctoral Dissertation. Department of Mechanical  Engineering, Blekinge Institute of Technology, Karlskrona, Sweden. 

Holmberg,  J.  and  K.‐H.  Robèrt  (2000).  "Backcasting  from  non‐overlapping sustainability  principles‐‐a  framework  for  strategic  planning." International Journal of Sustainable Development and World Ecology (7): 291‐308. 

Manzini,  E.  and  C.  Vezzoli  (2003).  "A  Strategic  Design  Approach  to  Develop Sustainable  Product  Service  Systems:  Examples  taken  from  the `environmentally  friendly  innovation'  Italian  prize."  Journal  of  Cleaner Production 11(8): 851‐857. 

Mont,  O.  (2004).  "Product‐Service  Systems:  Panacea  or  Myth?"  Doctoral Dissertation.  International  Institute  for  Industrial  Environmental Economics (IIIEE), Lund University, Lund, Sweden. 

  

Page 147: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Thompson, A.W.  Towards Sustainability‐driven Innovation through Product‐Service Systems    

134 

Ny,  H.  (2009).  "Strategic  Life‐cycle Modeling  and  Simulation  for  Sustainable Product  Innovation."  Doctoral  Dissertation.  Department  of Mechanical Engineering, Blekinge Institute of Technology, Karlskrona, Sweden. 

Robèrt, K.‐H., B. Schmidt‐Bleek,  J. Aloisi de Larderel, G. Basile,  J. L.  Jansen, R. Kuehr,  P.  Price  Thomas,  M.  Suzuki,  P.  Hawken  and  M.  Wackernagel (2002).  "Strategic  Sustainable  Development  ‐  Selection,  Design  and Synergies  of  Applied  Tools."  Journal  of  Cleaner  Production  10(3):  197‐214. 

Tukker,  A.  (2004).  "Eight  Types  of  Product‐service  Systems:  Eight  ways  to sustainability? Experiences  from  SusProNet." Business  Strategy and  the Environment 13(4): 246. 

Willard, B. (2002). The Sustainability Advantage: Seven business case benefits of a triple bottom line, New Society Publishers. 

Wong, M. (2004). "Implementation of innovative product service‐systems in the consumer goods  industry." Doctoral Dissertation. Cambridge University, Cambridge, UK. 

 

Page 148: Towards Sustainability-driven Innovation through Product-Service …835381/... · 2015-06-30 · sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win

Anthony W

. Thom

pson2010:08

Increasing awareness of anthropogenic im-pacts on the planet has lead to efforts to re-duce negative environmental impacts in product development for several decades. Benefits to companies who focus on sustainability initiatives have been put forth more recently, leading to many efforts to incorporate sustainability consi-derations in their product innovation processes.

The majority of current sustainability consi-derations in industry constrain design space by emphasizing reduced material and energy flows across the product’s life cycle. However, there is also an opportunity to use awareness of sus-tainability to bring attention to new facets of design space and to drive innovation. Specifically there is an opportunity for product-service sys-tems (PSS) to be a vehicle through which sustai-nability-driven innovation occurs.

A framework for strategic sustainable deve-lopment (FSSD) provides the basis for under-standing sustainability in this work, and provides clarity with regard to how to think about sus-tainable products and service innovations. The “backcasting” approach included in this frame-work also provides insight into how incremental and radical approaches could be aligned within the product innovation working environment.

This thesis explores how sustainability con-siderations can be better integrated into exis-ting product innovation working environments

in order to drive innovation processes within firms, with a specific emphasis on opportunities that occur as sustainability knowledge leads to innovation through a product-service system approach. It endeavors to contribute to both theory development within the emerging sus-tainable PSS design research area, and also to advance the state of practice within industry by connecting dots between the state of theory and the state of practice.

Society’s opportunity to become more sus-tainable and industry’s desire for innovation in order to lead to or increase profitability are often in conflict. However, this thesis argues that knowledge of global social and ecological sustainability can be used to drive innovation processes, and that there are win-win oppor-tunities that can often be achieved through a PSS approach. There is some, but not sufficient, support for the inclusion of sustainability con-siderations in the product innovation process, and even fewer tools to support the use of sustainability to drive innovation. In response, an approach to providing support that brings together the FSSD and various approaches to systems modeling and simulation is presented. Opportunities to use sustainability-friendly att-ributes of existing products through a PSS-ap-proach are also presented.

ABSTRACT

ISSN 1650-2140

ISBN: 978-91-7295-188-4 2010:08

Blekinge Institute of TechnologyLicentiate Dissertation Series No. 2010:08

School of Engineering

TowARdS SuSTAinABiliTy-dRiven innovATion ThRough PRoduCT-SeRviCe SySTemS

Anthony W. Thompson

To

wA

Rd

S S

uS

TA

inA

Bil

iTy-d

Riv

en

in

no

vA

Tio

n T

hR

ou

gh

PR

od

uC

T-Se

Rv

iCe

Sy

ST

em

S