Um die Klimaerwärmung zu begrenzen, müssen Energiesysteme in den nächsten drei Jahrzehnten vollständig dekarbonisiert und die Sektoren Strom, Wärme und Verkehr durch erneuerbare Energien versorgt werden. Dazu sind sektorkoppelnde Technologien, wie Elektrolyseure, Wärmepumpen und Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge notwendig. Stromnetze müssen ausgebaut und Gaspipelinesysteme für den Transport von Wasserstoff befähigt werden. Aufgrund der Komplexität von solch integrierten Energiesystemen, können die Verbrauchssektoren und die Energietransportinfrastruktur nicht mehr unabhängig voneinander betrachtet werden, sondern erfordern einen integrierten Bewertungsansatz. Während die CO2 Emissionen im Strom- und Wärmesektor in Deutschland seit 1990 reduziert werden konnten, emittiert der Verkehrssektor noch die gleichen Emissionen wie im Jahr 1990. Die Transformation des Verkehrssektors benötigt neue Antriebstechnologien und neue Energieinfrastruktur, die die Nutzung von Strom, Wasserstoff oder strombasierten Kraftstoffen ermöglichen. Neue und disruptive Schlüsselelemente im Energiesystem sind dabei die Versorgungsinfrastruktur für CO2-neutralen Wasserstoff und der Aufbau von Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge. Elektrolyseure, Wasserstoffspeicher und die entsprechende Pipelineinfrastruktur koppeln den Mobilitätssektor indirekt mit dem Stromsektor. Dies wirkt sich auf die Stromnachfrage aus und bietet Flexibilität für die intermittierenden erneuerbaren Energiequellen. Ladestationen koppeln den Mobilitätssektor direkt mit dem Stromsektor, wobei der entstehende Stromladebedarf durch das heterogene Fahr- und Ladeverhalten von Fahrzeughaltern beeinflusst wird. In der vorliegenden Doktorarbeit wird ein agenten-basiertes Modell entwickelt und mit einer mathematischen Optimierung gekoppelt, um die Wechselwirkungen eines dekarbonisierten Verkehrssektors mit der Energieversorgungs-, der Energietransport- und der Ladeinfrastruktur zu analysieren. Die Analyse identifiziert kostenoptimale Energieträger im Verkehrssektor und die benötigten Erneuerbare-Energien-Anlagen, Energieimporte, Speicherkapazitäten, sowie die Strom- und Wasserstofftransportinfrastruktur. Darüber hinaus soll die erforderliche Ladeinfrastruktur für batterieelektrische Fahrzeuge, einschließlich Langsam- und Schnellladetechnologien zu Hause, am Arbeitsplatz, an öffentlichen Plätzen und auf den Autobahnen, sowie die Auswirkungen unterschiedlich gestalteter Ladeinfrastrukturnetze auf das multimodale Energiesystem bewertet werden. Diese Auswirkungen werden in Bezug auf die elektrische Spitzenlast durch gleichzeitig auftretende Ladevorgänge und die verfügbare Flexibilität durch gesteuerte Ladevorgänge bestimmt. Das mathematische Optimierungsmodell ist so parametrisiert, dass ein CO2-neutrales, deutsches, multimodales Energiesystem im Jahr 2045 mit seiner Energieversorgungs-, Transport- und Nachfragestruktur optimiert werden kann. Dabei wird das deutsche Energiesystem in 38 Regionen unterteilt abgebildet und der Energieaustausch mit 13 europäischen Ländern modelliert. Eine Szenario-basierte, lokale Sensitivitätsanalyse wird angewandt, um die Auswirkungen verschiedener Energieträger im Verkehrssektor auf das multi-modale Energiesystem zu bewerten und die kostenoptimalen Energieträger im Verkehrssektor unter Berücksichtigung unterschiedlicher Energieversorgungs- und Transportkosten sowie verschiedener Technologieausbaugrenzen und Importverfügbarkeiten von strombasierten Energieträgern zu bewerten. Die agentenbasierte Simulation bildet das Lade- und Fahrverhalten batterieelektrischer PKWs ab. Sie wird genutzt, um Pareto-optimale regionale Ladeinfrastrukturausgestaltungen für einen ländlichen und einen städtischen Raum zu untersuchen. Die Ergebnisse werden zur Parametrisierung der Ladeinfrastruktur und der zeitlich aufgelösten Ladeprozesse im Optimierungsmodell des Energiesystems verwendet. Des Weiteren wird eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, bei der die Verfügbarkeit von Langsam- und Schnellladestationen an verschiedenen Standorten in der agentenbasierten Simulation variiert wird, um die Auswirkungen verschiedener Ausgestaltungen des Netzwerks an Ladeinfrastruktur auf die elektrische Spitzenlast und die verfügbare Flexibilität der Ladevorgänge zu bewerten. Die durchgeführte Analyse im Energiesystemmodell zeigt, dass eine hohe Elektrifizierungsrate im Verkehrssektor in allen Szenarien kosten-optimal ist. Veränderungen der Verfügbarkeit und der Kosten der Energieversorgungs- und - Energietransportinfrastruktur wirken sich hierbei vor allem auf die Elektrifizierungsrate von kapitalintensiven Fahrzeugtechnologien – schweren Nutzfahrzeuge und Busse – aus. Während strombasierte Kraftstoffe vor allem Anwendung bei schweren Nutzfahrzeugen wie Bussen, Schiffen und Flugzeugen finden, kann Wasserstoff die Elektrifizierung von leichten Nutzfahrzeugen und Personenkraftwagen kostenoptimal ergänzen. Die Analyse zeigt, dass Wasserstoff und strombasierte Kraftstoffe an Standorten mit hoher Windstromerzeugung in Deutschland in Stunden mit niedrigen Stromgrenzkosten kostenoptimal erzeugt werden können. Für den Einsatz von Wasserstoff im Verkehrssektor muss die erforderliche Wasserstofftransportinfrastruktur von Wasserstofferzeugungs- und Importregionen im Norden des Landes von einem auf Industrieregionen begrenzten Pipelinenetzwerk zu einer flächendeckenden Pipelineinfrastruktur ausgebaut werden. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass bei einer Erhöhung der Elektrifizierungsrate im Verkehrssektor um 10% eine zusätzliche stationäre Energiespeicherkapazität von 250 GWh – thermische Speicher, Wasserstoffspeicher und Batteriespeicher – erforderlich ist. Die insgesamt benötigte stationäre Batteriespeicherkapazität kann durch gesteuertes Laden von Elektro-Pkw-Flotten um bis zu 45 GWh reduziert werden. Die Ausgestaltung von regionalen Ladeinfrastrukturnetzwerken hat einen erheblichen Einfluss auf die von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen bereitgestellte Flexibilität und dementsprechend auf die erforderliche stationäre Batteriespeicherkapazität im Energiesystem. Besonders in der Anfangsphase des Markthochlaufs für Elektrofahrzeuge kann das Schnellladen die Anzahl der benötigten Ladesäulen signifikant reduzieren. Mit zunehmender Anzahl von Elektrofahrzeugen kann ein effizientes regionales Ladeinfrastrukturnetz so ausgestaltet werden, dass die Spitzenlast beim Laden von Strom minimiert und die verfügbare Flexibilität der Elektrofahrzeugflotte maximiert wird. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Forschung über die Ausgestaltung eines dekarbonisierten Energiesystems und zeigt die Notwendigkeit eines integrierten Prozesses für zukünftige Energiesysteme. Darüber hinaus wird die Relevanz einer umfassenden Ausarbeitung von Ladeinfrastrukturnetzen für batterieelektrische Fahrzeuge aufgezeigt, um Herausforderungen bei der Integration von Elektrofahrzeugen gezielt zu reduzieren.