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Groupe de Recherche en Economie Théorique et appliquée – UMR CNRS 5113 An evolutionary modelling of recycling and product-life extension EMAEE 2007 Globalisation, Services and Innovation: The Changing Dynamics of the Knowledge Economy 17 – 19 May 2007 Eric Brouillat eric.brouillat@u-bordea ux4.fr GREThA UMR CNRS 5113 Montesquieu - Bordeaux IV University, France

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Groupe de Recherche en Economie Théorique et appliquée – UMR CNRS 5113

An evolutionary modelling of recycling and product-life

extension

EMAEE 2007 Globalisation, Services and Innovation:

The Changing Dynamics of the Knowledge Economy

17 – 19 May 2007

Eric [email protected]

GREThA UMR CNRS 5113 Montesquieu - Bordeaux IV University, France

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Plan

• Outline of the context

• Model description

• Simulations results

• Conclusions

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Evolution of waste streams

• In the OECD countries, domestic waste streams have increased by 40% in volume between 1980 and 1997.

• In France, the emission of domestic waste per person actually doubled between 1960 and 1995. Growth rate in French domestic waste emissions has been about 2,5% par year for decades.

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Closing the “material loop”

• Short loops = product-life extension by means of re-using products as well as by maintenance, repair, reconditioning and technological upgrading (ex: retreading of tyres, the Xerox life-cycle design programme for photocopiers, the Siemens-Albis AG portable operating system BS2000, etc.)

• Long loops = post-consumption recycling : collecting waste, sorting it to recover materials which may be recycled, and then transforming these materials (physically and/or chemically) to obtain new raw

materials.

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Closing the “material loop”

• Short loops are much more complex to implement than long ones.

• product-life extension => slow down product replacement speed by consumers => lower sales.

• product life extension => slow down technical progress.

Firms are usually reluctant to adopt a product-life extension strategy. The tendency is rather to see a decrease in product-lifetime. Firms tend mainly to concentrate more on recyclability.

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Issues studied

• Investigate firm's economic incentives to extend product life and market recyclable products.

• Identify the conditions favouring diffusion of products with a low environmental impact: easily recyclable products with a long lifetime (green products).

• study the impact of such diffusion on waste management and ecological variables.

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Model structure

• Model based on the "History-friendly" model by Malerba, Nelson, Orsenigo and Winter (1999).

• Focus on the environmental dimension of the product => introduction of the post-consumption phase.

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Model structure

R&D investment

Innovation process

Product’s characteristics

Visibility Purchase process

Quantities sold

Profit

Consumer’s product

LT R End of life product

Total recycled inputs supply

Recycled and virgin inputs

demand

Minimum Price

(pmin)

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Product’s characteristics

Lifetime (LT).

Rmax1

LTmax1

Rmax2

LTmax2

Recyclability (R)

Design for recycling

Initial designLong lifetime

design backed up

with services

Long lifetime design

backed up with services

Design for recycling

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Firms’ R&D investment 

1,, . tiitiRD with 0 ≤ μi ≤ 1.

tiiLTti RDRD ,, .

tiiRti RDRD ,, .1

with 0 ≤ δ i ≤ 1

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The innovation process

RtiRD

Rtiob

,4expPr

32

1,

LTtiRD

LTtiob

,4expPr

32

1,

21

1,,, Rmax. tiRtiRti RRDR

with Rmax = Rmax1 if Ri,t-1 ≤ Rmax1 and Rmax = Rmax2 if Ri,t-1 > Rmax1.

21

1,,, LTmax. tiLTtiLTti LTRDLT

with LTmax = LTmax1 if LTi,t-1 ≤ LTmax1 and LTmax = LTmax2 if LTi,t-1 > LTmax1.

Innovation probabilities

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Supply - demand interactions

4

3

21

1,,

,,, .1

..

ti

titititi S

pRLTV

Product’s visibility

Non-green consumers : β3 β1 + β2

Green consumers : β3 < β1 + β2

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Product manufacturing

• two categories of perfectly substitutable inputs: recycled inputs and virgin inputs

• Share of recycled inputs = parameter

• Recycled inputs provided by the recycler, virgin inputs by suppliers external to the model

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Selling price

1.min ,, titi pp

If LTi,t ≤ LTmax1

1,

1,1,1,,

..min

ti

dti

dti

titi Q

qvpvqrprCMp

If LTi,t > LTmax1  tititi AddCCMp ,1,, 1.min

1,, . tiAddCti AddCAddC

tititititi QpQp ,,,,, .min.

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The recycler

• The recycler collects the complete range of end of life products which he recycles and sells to the producers as recycled inputs

• Starting from a unit of product, the recycler recycles, manufactures and sells R units of recycled inputs

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Experimental set-up

• LSD 5.5 simulation platform

• 10 firms, 1000 consumers and 1 recycler

• neither entries nor exits of firms and consumers

• Monte-Carlo method : 10 000 simulations. The number of periods is

randomly chosen between 1 and 200. The results of the last period

of each simulation are studied. Simulations initialized with a

randomly drawn vector of values for the main parameters

=> 10 000 observations covering quite a diversified subset of the

parameter space

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Firm level results

Determinants of market shares in terms of users

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Firm level results

0

1

2

3

4

5

6

Lifetime

Life

time (LT

)

Delta - Demand

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Recyclability

Re

cycl

ab

ility

(R

)

Delta - Demand

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Market level results

Determinants of product quantities sold

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Market level results

Determinants of recycled waste flows

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Market level results

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Virgin

inputs

flow

s

Supply - Demand

Box plots of virgin inputs flows

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Conclusions

• Very simple model

• New model under development with

- an explicit technological dimension;

- adaptive firms’ innovation strategies;

- new design => adoption costs;

- exit of firms;

- innovation activities of the downstream actors in the

supply chain;

- environmental regulations (extended producer

responsability).