Zur Erreichung der Klimaziele, bei gleichzeitiger Gewährleistung eines sicheren und bezahlbaren Energiesystems, bedarf es Strategien, die neben dem Stromsektor zudem den Wärme- und Verkehrssektor adressieren. Durch die Kopplung von Energiesektoren sowie die sektorübergreifende Nutzung von Flexibilitätsoptionen besteht die Möglichkeit, den Anteil erneuerbarer Energien in allen Sektoren zu erhöhen und mithin die CO2-Emissionen zu reduzieren. Bisherige Verfahren zur Planung der Energieversorgungsstruktur bieten keine umfassende Möglichkeit zur integrierten Modellierung des europäischen Energiesystems und der Kopplung von Energiesektoren. Somit können u.a. der Einfluss der Wechselwirkungen des internationalen Stromhandels, der europäischen Klimaziele und der Sektorenkopplung auf die optimale Ausbauentscheidung des Energiesystems nicht quantifiziert und berücksichtigt werden. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens zur gekoppelten Investitions- und Betriebsoptimierung der Energieversorgungsstruktur. Dieses bietet die Möglichkeit, die Kopplung von Energiesektoren sowie die sektorübergreifende Nutzung von Flexibilitätsoptionen im europäischen Energiesystem unter Berücksichtigung energiepolitischer Anforderungen integriert zu betrachten. Die mathematische Modellierung des Gesamtproblems bedingt eine große Anzahl an Entscheidungsvariablen und Nebenbedingungen für reale Problemgrößen. Dies erfordert die Verwendung mathematischer Zerlegungsverfahren. Es erfolgt eine Zerlegung hinsichtlich systemischer Nebenbedingungen mittels einer Lagrange Relaxation in anlagenscharfe und regionale Subprobleme. Die Lösungsfindung der Subprobleme basiert zudem auf einer Zerlegung der Investitions- und Betriebsentscheidung u.a. mittels einer Benders Dekomposition. Als Ergebnis liefert das entwickelte Verfahren die kostenminimale Planungs- und Betriebsentscheidung der Energieversorgungsstruktur für mehrere gekoppelte Versorgungsgebiete, welche die definierten energiepolitischen Anforderungen erfüllt. Die Applikation des entwickelten Verfahrens auf die Planung des europäischen Energiesystems für das Jahr 2050 verdeutlicht die Anwendbarkeit für reale Problemgrößen. Bis zu einer CO2-Reduktionsrate von 90% ergibt sich die kostengünstigste Lösung im betrachteten Szenario als ein Mix aus einer Elektrifizierung des Wärme- und Verkehrssektors, dem Ausbau erneuerbarer Energien sowie der Nutzung CO2-armer Brennstoffe und verschiedener Flexibilitätsoptionen. Die Erreichung einer Reduktion der CO2-Emissionen um 95% ist im vorliegenden Szenario hingegen erst durch die Berücksichtigung einer CO2-Abscheidung bei Kraftwerken (CCS/CCU) möglich.