Um erro comum é criar as variáveis nos arquivos startup.bat ou catalina.bat (.../apache-tomcat/bin), pois as variáveis somente serão consideradas se o serviço for inicializado à partir do CMD do Windows com estes arquivos.
Já quando se configura como Serviço do Windows (o que faz muito mais sentido para os ambientes dos clientes), estes arquivos não são considerados no momento da inicialização. Para estes casos, as variáveis devem ser tratadas no Registro do Windows.
Para isso, existem duas formas:
Esta ação deve ser feita com muita cautela, sob risco de desestabilização dos serviços em caso de alteração indevida.
Localize o registro conforme o print abaixo: